反应器裂纹原因分析及处理措施

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中图分类号：TQ O51.3；TH 49 文献标志码 ：B doi：10.3969/j.issn.1000-7466.2013.s1.026Cause Analysis of Reactor Crack and Treatment M easuresCAO Qing-jun，LI Chong-jun，WU Ju-min(Ningbo W anhua Polyurethane Co.Ltd.，Ningbo 315812，China)Abstract：The reasons of austenitic stainless steel reactor cracks were analyzed by means of theshape and position of the cracks.It is found that fatigue loads of agitator and illogical stiffenerwere the cause of cracks.The importance of materials，heat treatment and renovation considera-tions are introduced as wel1。

Key words：reactor；crack；fatigue load；agitator某聚氨酯公司反应系统有 1台酯化反应器，其作用是将氧氯化碳与二甲基二苯基多胺反应生成粗MDI(4，4-二苯基甲烷二异氰酸酯)。

该反应器 2004年底投入使用，开始使用情况良好。2007年，公司进行大修技术改造，对反应器结构做了部分改造，在上封头处增开-个 DN600 mm的工艺管口，同时加入 2个大口径插入管，增加载荷约 2 t。

增开大型管 口以及增加载荷导致原来 的设备壁厚不足，设计院通过在上封头内部焊接 8条筋板来实现对上封头的增强效果 。2007～2009年，反应器运行正常 ，未发现明显异常。

2009-07，危险气体检测仪发出了气体泄漏报警 ，随之相关人员对该 反应器进行 了内、外部检验。

在上封头处发现长度 约 2.5 mm 的裂纹 ，此处裂纹正好位于电机的支撑处，并且是椭遭头大圆角向小圆角的过渡点。装置因此紧急停车，随即对封头裂纹进行打磨。打磨后发现封头的裂纹成网状结构 ，并且越是向下打磨 ，裂纹分布呈细密分布 ，肉眼直接可以看出。

往下打磨后裂纹的延伸方向是封头的大圆角和小圆角，即向上和向下延伸，横向方向上的裂纹已经全部清除，当封头被磨穿后发现封头内表面有-块筋板，即裂纹方向与筋板方向-致，见图 1。

图 1 裂纹呈现网状示图收稿 日期 ：2013-03-01作者简介：曹庆俊(1968-)，男，山东烟台人，高级工程师 ，工程硕士，从事石油化工设备管理与技术工作 。

石 油 化 工 设 备 2013年 第 42卷1 脂化反应器简介设计压力 0.8 SPa，设计温度 100℃，操作压力0.5 MPa，操作温度 75℃，工作介质为氯苯、光气、DAM和氯化氢的混合液体，主要材质 316L，规格(内径×壁厚×高度)3 500 ram16 mmX 3 850 mm。

反应器为立式圆筒结构 ，封头为标准椭遭头，筒体上均布 4个耳座安装在钢结构上，上封头顶部装设搅拌机，反应器的结构示意图见图 2。

在 MDI反应 中，有可能会生成微量 HC1，且物料中存在含有水的可能性。因此，选用耐腐蚀性能较好的 316L材质作为反应器主材。

2 裂纹事故原因分析2.1 材质改变事故发生后检查了反应器原始资料，鉴于设备图 2 反应器结构示 图的重要性 ，最初要求设备主材 316L必须进 口。在设备制造过程中的反泪果是反应器简体采购自韩国 D.K.C，上封头采购 自南非 COLUMBUS。出于项 目进度要求，设备厂的代用请求被许可。

热处理：筒体钢板固溶退火处理(1 100℃)，封头冷旋压 ，未作热处理。

简体、封头材质的成分与标准规定的 316L化学成分见表 1，其常温下的力学性能见表 2。

表 1 主要受压 元件化学成分 (质量分数)规定值[2筒 体上封头> 170.0311.4320.5> 170.0343.4345.3> 4O.065.252.2< 95.075.187.5从表 1～表 2中可以看出，上封头材料碳质量分数和硬度明显高于筒体材料，延展率远低于筒体材料。

在反应器整体受内压和搅拌器载荷综合作用下 ，相比较而言封头的协调变形能力更差 ，更易出现裂纹。而且上封头在冷旋压成型后未进行去应力热处理，出现裂纹处是封头部位变形减薄量最大 的地方，在这-点会存在残余应力。

2.2 应力腐蚀如果反应器内有微量水分进入，与光气反应就会生成盐酸，由奥氏体不锈钢的腐蚀特性知，哈氏合金在氧化性介质中可能存在晶间腐蚀，在有氯离子的介质环境中也容易引起应力腐蚀r3]。

根据文献E4]中的相关介绍，奥氏体不锈钢发生氯离子导致的应力腐蚀开裂的温度敏感 区-般是在150～280。C，在这-温度区域内，氯离子质量浓度很型可以引起奥氏体结构的晶间腐蚀而导致其腐蚀开裂l5]。

本台设备运行温度只有50℃，远低于应力腐蚀开裂的温度敏感区间。同时测量相邻部位的壁厚并观察内壁，其他部位无明显腐蚀痕迹。因此，可以排除应力腐蚀开裂的可能。

2.3 疲劳载荷根据薄壁壳体的无力矩理论，椭遭头的过渡转角区受力状况最复杂，椭圆形封头应力分析图见图 3。

由图 3中可以看出，周向薄膜应力 印在过渡转角区由拉应力转变为压应力，可见此处 的受力状态是最差的。

反应器内部出现裂纹的地方正是拉应力转为压0 5 6 6 鸲>增刊 1 曹庆俊 ，等 ：反应 器裂纹原因分析及处理措施应力的过渡点 ，当初设计 的加强筋不仅仅导致了应力集中的出现，而且限制了椭遭头的形变，使椭圆封头不能整体协调变形。

O.5- 1.O图 3 椭圆形封头应力分析 图综上所述，可以判断反应器封头裂纹是由于搅拌器长期运行带来的疲劳载荷造成的，同时与加强筋的不合理设置也有关系。

反应器上封头安装有-个比较大的搅拌器，搅拌器质量为 3 400 kg，转速为 145 r/min，竖直载荷74.5 kN，扭矩 12.7 kN，弯矩 24.5 kN·m×拌器在运行过程 中对反应器产生较大的竖直载荷 、扭矩和弯矩，这些载荷进-步恶化了封头的受力状况，进而导致裂纹的产生。

3 分析结论(1)在设备改造过程中，对于大开孔带来的强度削弱-定要慎重对待，要经过严密的分析和计算，必要时应采用 JB 4732-1995《钢制压力容器--分析设计标准》计算各种应力值[7]。

(2)奥氏体不锈钢材料力学性能优良，在焊接和封头成型过程前后-般不需要热处理，但是对于关键设备，尤其是载荷情况较复杂的设备建议做固溶处理[。 ]。

(3)产自南非、韩国、东南亚等国家和地区的材料不论是在化学成分上还是综合力学性能远不及欧美发达国家，在选用时要加倍小心。

4 处理方法割除出现裂纹的加强筋 ，将封头磨开的地方用GTAw 自熔-道，将留在筋板上的疑似网状裂纹去除，再用 GTAW 打底焊 2道，采用 ER316L自保护焊丝，焊 后 100 PT 检 查，合 格 后 用 SMAWE316L-16填充，焊后将补焊处打磨至与母材平齐，PT检查合格。

5 结语将该反应器出现裂纹的加强筋割除后，投入使用至今未发现开裂迹象 。