超高壓管式反應器安全性檢測研究

胡滿江

（國能榆林化工有限公司，陜西榆林 719319）

1 概述

從1913年德國工程師Haber首次發明出高壓容器開始，世界其他國家也逐漸提高了高壓容器的研究和發展速度，逐漸將超高壓管式反應器推到了工業生產中。隨著社會科技的進步，超高壓技術的應用領域逐漸增加，在每個不同領域中不斷出現，設備的安全性和容量也不斷上升。

超高壓容器由最早的單層、多層等結構組成，早期多層容器容易在套合時發生咬死現象，因此多層超高壓設備體型較為短小。對于大型體積的超高壓設備往往采用單層結構，相對材質和加工處理難度較高，容易在操作不當時產生裂縫，有些設備在做水壓實驗時就出現裂縫。

超高壓管式反應器在石油化工上的應用十分廣泛，也是石油化工生產上的核心設備之一，從工業生產開始以來，超高壓管式反應器給工業生產帶來了極大的效益，但同時也伴隨著高風險，超高壓管式反應器內部的物料往往易燃易爆，在設備使用期間還會受到溫度、開工、停工循環的影響。內部和外部的因素不論單獨還是共同發揮作用，都會影響超高壓管式反應器的材料損傷，反應器的強度降低容易引發裂紋甚至事故。一旦發生裂紋出現泄漏，則給國家和企業帶來的損失巨大，且容易造成環境污染，影響周圍居民的正常生活，因此，檢測技術的高效、可靠性對快速查找到缺陷問題，并結合檢測數據分析和評定，快速定期排查超高壓管式反應器的缺陷，能夠確保其安全、高效地運行。為了確保工廠作業環境的安全，必須定期對反應器進行檢測，對缺陷、裂紋等安全隱患進行及時消除，并定期評定設備的安全情況。

以國能榆林化工聚乙烯裝置的超高壓管式反應器展開介紹，包含預熱器、反應器（其中反應器分4個區）、后冷器三部分，由德國伍德公司生產制造。國能榆林化工超高壓管式反應器為套管式結構，規格型號為DN75，PN3600，內管承壓為工藝介質反應的場所，夾套通入熱水撤走反應放出的熱量，單管長度17m，整個反應器固定在鋼結構支架上。超高壓管式反應器主要指1區42根反應管，2區36根反應管，3區30根反應管，4區18根反應管，反應器預熱器36根，后冷器30根，共計192根。由于LDPE高溫高壓的工藝特點，正常生產過程中，反應器操作溫度在290～310℃、壓力在250～270MPa。裝置于2015年12月25日一次性投料試車成功，開車至今運行超過5年，反應器運行狀態良好，未出現泄漏、爆炸等生產事故。

2 超高壓管式反應器安全性檢測現狀

目前國外超高壓管式反應器安全性檢測技術較為成熟，尤其是德國伍德公司、德國巴斯夫公司。超高壓管式反應器檢測安全性檢測也是近10年才提出的概念，德國巴塞爾公司于1954年首次實現全球范圍內第一套LDPE裝置工業化生產，在近半個世紀的生產過程中，超高壓管式反應器安全性檢測技術沒有突破。專利設備廠家的資質標準均大于行業標準，關于超高壓管式反應器壽命及安全性檢測，專利商及專利設備廠家給的答復均是超過20年，大于常規化工裝置設計壽命，無需檢測及評價。隨著裝置運行，全球范圍內超高壓管式反應器由于使用維護不當或者過度使用，出現多次事故，全球范圍內越來越多的用戶開始對于超高壓管式反應器的安全性檢測予以重視，德國巴斯夫公司于2006年研發提出旋轉渦流檢測評價超高壓管式反應器，并在國外取得非常好的評價。

國內超高壓管式反應器安全性檢測，至今仍然停留在理論階段，目前各省特檢院、檢測機構均沒有非常有效的檢測手段，均停留在同類裝置專業技術人員運行維護經驗交流階段，對于超高壓管式反應器安全性檢測沒有任何標準，更為突顯出在這一時期對超高壓管式反應器安全性檢測的必要性和重要性。

對于超高壓管式反應器安全狀況的檢測，尤其是現在安全生產形勢嚴峻的情況下，保證超高壓管式反應器長周期穩定運行、避免反應器備件過度更換、避免反應器突然失效是一個亟待解決的課題。急需一種科學的檢測手段，可以定量且直觀地評價超高壓反應器的安全狀況及運行狀態。

3 超高壓管式反應器安全性檢測

3.1 渦流檢測

超高壓管式反應器的高壓管通常配有水夾套，所以無法從管外側對管內表面實施檢測。而管內表面承受應力最高并與介質接觸，是疲勞裂紋和腐蝕的發源地，渦流檢測可以從管內側實施檢測，能有效檢測高壓夾套管內表面軸向裂紋和腐蝕缺陷。渦流檢測技術搭建在電磁感應基礎上，屬于無損檢測方法中的一種。其原理是在檢測線圈上接通交流電，出現交變磁場，線圈接近工件的同時，工件表面可以感應渦流，抵消部分原磁場，導致檢測線圈電阻和電感出現變化，借助檢測線圈測定渦電流的變化量，從而獲得工件缺陷的有關信息。如果渦流檢測中，金屬工件出現故障，渦流磁場的數值則會發生變化，導致線圈發生變化，并通過測出的傳導率、滲透性和相位等特征參數來發現缺陷，因此通過渦流檢測可以了解是否存在缺陷。

對超高壓管式反應器使用渦流檢測，很容易檢測出其表面缺陷，因為超高壓管式反應器往往使用鐵磁性材料，這一材料的導磁率是隨著磁場的變化而變化的，在檢查線圈的作用時，能夠將阻抗增強，鐵磁性材料的應用環境不一致會影響阻抗的值。當檢測探頭從缺陷表面掃過時，在渦流檢測設備的顯示屏幕上，會出現缺陷的阻抗平面圖，在阻抗平面圖可以得到缺陷的相位角和幅值兩個參數，通過與試樣的參數進行比較，就可以得出缺陷深度、大小等信息。

通過本次檢測實際檢測4根超高壓反應管，檢測范圍為列管全長U型管段除外、端部盲區30mm除外。檢測設備使用EEC-35RFT雙頻遠場渦流檢測儀，使用了最先進的FPGA數字電子技術、遠場渦流技術及微處理機技術，多通道實時檢測技術，能實時有效地檢測鐵磁性金屬管道的內、外壁缺陷。檢測時不受探頭提離、趨膚效應、電導率和磁導率不均等的影響，擁有多個相對獨立的檢測通道，頻率范圍較寬，5Hz至5MHz可調，多個混頻單元，能抑制在檢測中由支撐板、凹痕、沉積物等引起的干擾信號，去偽存真，提高對渦流檢測信號的評價精度。

通過對被測反應管的內表面進行渦流檢測，尤其是對反應劇烈段進行檢測，管段表面未發現缺陷，檢測結果如表1所示。

表1 檢測結果

3.2 工業內窺鏡檢查

隨著工業的迅速發展，各個行業對數據可信度和準確度有了更高的要求，因此測量技術也在飛速發展。在科學實驗與生產實踐的過程中，為了獲取表征被研究對象的特征定量信息，必須準確地進行測量。工業內窺鏡主要是針對工業檢測、維修推出的無損檢測工具，通過視頻攝像頭電子顯示的方式檢測肉眼無法直接觀測的地方，可對被檢測對象的內部缺陷進行視覺定性檢查和定量測量等檢測工作，可以捕捉到清晰明亮的圖像，能實時對需要檢查的部位進行視頻檢查，能實時記錄工作現場圖像、視頻，并能以數據庫形式存儲，能實時對所采集的視頻信息進行圖像、音頻分析，能實時近距離網內無線傳輸工作現場圖像、語音信息，擁有超強的性能與絕對的便攜性，并融合了最新的計算機數字存儲處理技術，成為檢測領域解決質量及安全問題不可缺少的重要工具。

超高壓管式反應器內部通過的介質流為高溫高壓，對材質要求極高，普通材料無法承受，并且在生產過程中經常出現緊急泄壓等非正常工況，導致反應器內部應力變化較大，拆卸反應器密封法蘭后，可以在近管口位置看到內管發出金屬光澤，通過內窺鏡輔助觀察，所檢管束內壁有介質流體蝕痕，未見線性缺陷和較深圓形缺陷。

3.3 超聲相控陣檢測

超聲相控陣檢測是利用延遲電路的電子技術來控制相控陣探頭合成來實現超聲波發射、接收的方法。相控陣探頭有多個小晶片，每個晶片被獨立地激發，根據各晶片相對于被檢目標的不同聲程施加不同的延遲時間，以實現聲束的角度和聚焦點的變化。

超聲相控陣是超聲探頭晶片的組合，由多個壓電晶片按一定的規律分布排列，然后逐次按預先規定的延遲時間激發各個晶片，所有晶片發射的超聲波形成一個整體波陣面，能有效地控制發射超聲束（波陣面）的形狀和方向，能實現超聲波的波束掃描、偏轉和聚焦。它為確定不連續性的形狀、大小和方向提供出比單個或多個探頭系統更大的能力。超聲相控陣檢測技術使用不同形狀的多陣元換能器產生和接收超聲波束，通過控制換能器陣列中各陣元發射（或接收）脈沖的不同延遲時間，改變聲波到達（或來自）物體內某點時的相位關系，實現焦點和聲束方向的變化，從而實現超聲波的波束掃描、偏轉和聚焦，然后采用機械掃描和電子掃描相結合的方法來實現圖像成像。

3.4 聲發射檢測

聲發射檢測是通過接收和分析材料的聲發射信號來評定材料性能或結構完整性的無損檢測方法，材料中因裂縫擴展、塑性變形或相變等引起應變能快速釋放而產生的應力波現象稱為聲發射。聲發射技術的應用已較為廣泛，可以用聲發射鑒定不同變形的類型，研究斷裂過程并區分斷裂方式，檢測出小于 0.01mm長的裂紋擴展，研究應力腐蝕斷裂和氫脆，評價表面化學熱處理滲層的脆性，以及監視焊后裂紋產生和擴展等。在工業生產中，聲發射技術已用于壓力容器、鍋爐、管道和火箭發動機殼體等大型構件的水壓檢驗，評定缺陷的危險性等級，做出實時報警。在生產過程中，用聲發射技術可以連續監視高壓容器、核反應堆容器和海底采油裝置等構件的完整性。固體材料往往容易出現聲發射信號，以及在材料加工處理過程中會引發內應力變化，包括錯位運動、裂紋，甚至斷裂、外加負荷變化等問題，隨著人們對觀察到的聲發射信號做出分析與推斷，逐步加深了聲發射檢測技術的原理，如圖1所示。

圖1 聲發射檢測原理

聲發射檢測適用于實時動態監控檢測，且只顯示和記錄擴展的缺陷，這意味著與缺陷尺寸無關，而是顯示正在擴展的最危險缺陷。被檢測超高壓管式反應器在未受載的情況下，不能有效檢測出缺陷情況，需要人為加載或者在線監測。

4 結束語

合適的檢測方法對超高壓管式反應器可以做出較為科學的評價，為了更加準確地判斷反應器的真實狀況，還可以借助其他檢測方法進行輔助。超高壓管式反應器在高溫高壓狀態下長期運行后，沿高壓管和彎頭軸向容易出現疲勞裂紋，尤其發生嚴重分解反應后，反應管局部出現短時間高溫高壓沖擊，對反應管的破壞加劇，管道內表面硬化層深度達幾毫米，裂紋可能出現在硬化層上。

通過渦流檢測對超高壓管式反應器的表面進行檢測獲得數據，加上工業內窺鏡的輔助檢查，能夠了解反應器的表面缺陷，并得到參數分析，評估反應器的使用狀況。如果有條件，還可以將聲發射檢測用于超高壓管式反應器的監測，更加客觀真實地反映超高壓管式反應器的運行情況。結合其他檢測方法，提升檢測結果的可靠性，確保檢測的高效和安全，為超高壓管式反應器的運行維護提供具有指導意義的參考 數據。