聚酯终缩聚圆盘反应器圆盘加固连接块断裂失效分析与改造

余胜尧

(中国石化仪征化纤有限责任公司聚酯中心，江苏仪征　211900)



设备改造

聚酯终缩聚圆盘反应器圆盘加固连接块断裂失效分析与改造

余胜尧

(中国石化仪征化纤有限责任公司聚酯中心，江苏仪征211900)

本文通过对聚酯装置中圆盘反应器圆盘加固连接块失效原因进行了分析和计算，判断出在某些状况下，圆盘加固连接块失效不可避免，同时提出了改进措施和建议，对于今后针对圆盘加固和改造具有指导作用。

圆盘反应器连接块断裂粘度拉伸应力强度校核

聚酯装置主流程为五釜反应流程，最后一釜最终缩聚反应器为盘环反应器，又称为圆盘反应器。聚酯进口装置圆盘反应器由德国吉码公司设计、德国蒂森(THYSSEN)公司制造，其型式为带螺旋形夹套卧式多室圆盘反应器，设计负荷100 t/d，经过仪化公司的不断优化与改造，增容生产线已达到165 t/d。圆盘反应器是聚酯生产最关键的设备之一，发生故障将对聚酯生产造成重大影响。

1　圆盘反应器主要结构介绍

1.1反应器釜体

聚酯吉码装置圆盘反应器[1]筒体内径为3 m，长6.8 m，容积48 m3。筒体内部由12块大隔板(T1～T12)分成13个室，以使物料呈活塞流(平推流)前进而不返混，另外还有15块小隔板(ST7.1～ST12.2)分布在第7～12室中，配合盘环的转动来撕裂熔体物料、加大蒸发面积，但不起防止物料返混的作用。大、小隔板共27块，固定在筒体内壁上，一端为固定端，另一端为活动端，活动端可允许29 mm的位移量。物料自第一室顶部进口进入反应器，熔体进口管与水平面呈30°，并设挡板使物料沿反应器内壁流下，有利于乙二醇等的蒸发；物料出口在最后一室(第13室)底部。

1.2反应器圆盘分布

圆盘反应器[2]除第13室为物料出口未设置圆盘外，第1～12室内共设置了52块外径(2 850 mm)相同、内径由2 190 mm逐渐加大至2 450 mm的圆盘，圆盘及轮辐材质分别为1.4301、1.4541(二者性能基本接近)。原设计52块圆盘分布情况为：1～3室(RS1～RS3)每室6块成组设置共18块，4室(RS4)为5块成组设置，5～6室(RS5～RS6)每室4块成组设置共8块，7～9室(RS7～RS9)每室4块单个设置共12块，10～12室(RS10～RS12)每室3块单个设置共9块。

2　圆盘反应器圆盘失效损坏与改造情况

2.1圆盘失效与改造

圆盘反应器内圆盘及隔板等部件经过投用初期的改进与优化(包括操作方面)后，运行稳定，直至使用20年以后，开始出现疲劳损坏。2007年10月，X单元RO5.2圆盘故障，第10～12室7块圆盘(RS21～RS27)严重损坏或变形，第12室最后3块圆盘损坏尤其严重，第10～12室之间的3块大隔板(T10～T12)和第11、12室内的4块小隔板(ST11.1、ST11.2、ST12.1、ST12.2)也严重损坏，高粘端射源套管严重弯曲变形等；2012年10月，Y单元R05.2圆盘故障，第8室第3(RS13)、第4(RS14)块圆盘变形损坏严重,第8、9室间T8大隔板断裂损坏，第8室第2(RS12)块圆盘变形，第9室第1(RS15)块圆盘变形；2013年7月，Z单元R05.1圆盘故障，第6室组合盘(RS6)变形严重，第7室第1块(RS7)和第2块(RS8)单盘设置圆盘损坏，第6室和第7室之间T6大隔板损坏，第5室和第6室之间T5大隔板磨损。除严重变形损坏的圆盘外，其它圆盘包括其它圆盘反应器的圆盘也存在不同程度的变形。

2007年，X单元R05.2圆盘损坏故障发生后，公司多次组织相关专家进行讨论，最终确定取消第7～12室小隔板、对圆盘进行组合加固改造的方案，其后圆盘的损坏及其它圆盘反应器的加固改造延用了这一方案。

圆盘反应器第7～12室各相邻单盘之间的轮辐都错开2.5°，对单盘进行加固连接的连接块为平行四边形，使用9 mm厚度的不锈钢板加工制作而成(连接尺寸按设计相邻圆盘轮辐间距)，共75块，如图1所示。连接块与圆盘轮辐采用氩弧焊，焊接位置在距离圆盘外缘410 mm处。

图1　圆盘组合加固连接块

2.2加固连接块损坏情况

圆盘反应器进行圆盘组合加固改造后，经过一段时间运行，利用停车检修间隙对连接块加固情况进行了检查，均在最后一室3块圆盘处发生加固连接块断裂的现象，其它室迄今未发现。目前已检查过的圆盘反应器加固连接块断裂情况详见表1。

表1　圆盘反应器加固连接块断裂情况

从上表可见，加固改造的圆盘反应器，不论使用时间长短，最后3块圆盘或多或少均存在连接块断裂的情况，除Y单元第一次有双侧断裂及掉落外，其余均为单侧断裂(相对薄弱的一侧断裂后应力得到释放，另一侧不再断裂)。倒数第1、2块圆盘及倒数第2、3块圆盘间连接块断裂的数量也大致相当。

处理方式上，X单元R05.1连接块断裂及Y单元R05.1连接块第一次断裂均仅为重新加工更换，因此，2015年3月Y单元停车检修检查，连接块再次发生断裂现象，只是断裂的数量还较少。Z单元R05.1考虑到了变形尺寸，但10块连接块仍为2种尺寸(同时材质由304改为316L)。从Z单元起在距圆盘外缘560 mm处再增加第2块连接块，其长度与第1块一致，此后的处理基本按Z单元的处理方式，其效果尚有待检验。

3　连接块断裂失效分析

圆盘反应器内圆盘及加固连接块的受力情况较为复杂，连接块受着驱动力、物料阻力(流体剪切力)、拉伸应力、加工应力、焊接应力、热应力等的共同作用，下面试从物料阻力、拉伸应力及连接块的强度等主要方面对连接块的断裂作定量或定性的分析。

3.1熔体搅拌阻力及连接块剪切力计算

圆盘反应器加固改造后由于小隔板全部拆除(共15块)，小隔板的主要作用是配合盘环的转动来撕裂熔体物料、加大蒸发面积，但不起防止物料返混的作用，实际是增加了物料的缩聚速度。表2为6台已加固及未加固的圆盘反应器相关工况及运行参数情况。

表2　某装置6台R05圆盘反应器相关工况及运行参数表

上表中输出扭矩T计算公式为：

其中Φ为功率因素，取0.85；η1为电机效率，取0.95；η2为减速箱的效率，取0.95；n为减速箱输出轴转速。

由表2可见，在基本相同的负荷及产品的工况下，进行过加固改造的圆盘反应器其出口液位较未改造的要高些，电流及驱动转矩也要高些。

输出扭矩主要是驱动搅拌轴、圆盘及物料转动，即T=F×L，F为总驱动力，L为圆盘半径，根据试车时搅拌器空转的运行情况，其电流近30 A，在不考虑油膜摩擦阻力的情况下，物料驱动力矩T2为总驱动力矩T减去空转驱动力矩T1。以Z单元R05.1为例，物料驱动力矩约为52 500 Nm。

52块圆盘对物料的驱动力为

圆盘反应器最后3块圆盘在第12室，出口在第13室(无圆盘)底部，12室处的物料粘度基本就是出口粘度，其特性粘度为0.675 dL/g，动力粘度μ2为360 Pa·s(约为3 600泊)。进口物料特性粘度为0.2 dL/g(增容线为0.3 dL/g)，动力粘度μ1为0.5 Pa·s(约为5泊)。物料在圆盘的搅拌下呈活塞流(平推流)的形式运动，物料的径向流动近似为圆盘转速，其流动状态可通过计算出雷诺数进行确定。

ρ为流体密度，熔体约为1.172×103kg/m3,反应器进出口基本一样；

μ为流体动力粘度，Pa·s；

对于圆盘反应器进口处，雷诺数为

按表2可知Z单元R05.1进口液位35%计算水力半径R1为0.712 5 m。

代入相关数值计算出进口物料雷诺数Re1为598，同理计算出口物料雷诺数Re2为0.83。

进出口物料雷诺数均小于2 000，为层流，沿程阻力系数为

结合达西公式，物料在两个圆盘间的沿程损失

圆盘搅拌物料流过相同的长度，出口处阻力为进口处的720倍。由于最后一室为圆盘，且小隔板取消后出口液位有所增高，物料存在返混，第12室的物料非常接近出口粘度，该室3块圆盘的搅拌阻力基本是一样的。而进口处粘度上升慢，前3块圆盘处的粘度可近似看成相当，这样，最后3块圆盘的搅拌阻力为前3块圆盘的720倍。事实上，由于第12室受物料返混的冲击与影响，这个比值还会大些。

圆盘将物料搅拌到下一块圆盘外缘处受到的物料剪切力为

上式中，γ为该段物料的容重9.8ρ，l为两圆盘间距即连接块长度。

将式(1)、式(2)代入上式，得

代入相关数值，计算出最后一室圆盘外缘处的剪切力为5.8 kPa。其搅拌范围内的剪切力参照管束流动剪切力公式：

对于连接块，上式中r为圆盘半径，r0为r减去连接块距圆盘外缘的距离(2.85/2-0.41),由此计算出连接块的流体剪切力为4.1 kPa。

另外，根据前面的计算，最后一块圆盘受力为第一块圆盘的720倍，而圆盘总物料阻力为36 842 N，在粘度均匀增加的情况下受力也均匀增加，假设同一室圆盘受力相近，将总受力按12室简化处理，可算出第1室圆盘阻力为8.5 N，最后1室为6 120 N。最后1室3块圆盘，由于液位低于反应器一半，圆盘一般只有2根轮辐部分盘面受力，圆盘内外径分别为2 450 mm、2 850 mm，其平均剪切阻力按下式计算：

代入相关数值计算最后一室圆盘平均剪切力为3.4 kPa。对于圆盘外缘处的剪切力,参照式(4)计算为6.8 kPa。这个简化计算的数值与前面通过流体力学计算的剪切力相差不是很大。

由于圆盘随搅拌器的转动不断进出物料，因此，物料对圆盘及连接块的剪切力是一个交变应力。

3.2连接块拉伸应力计算分析

圆盘反应器连接块除受外部的物料剪切力外，还有一个主要的受力，由于圆盘存在变形，连接块强行矫正进行组合加固产生的拉伸应力。从连接块断裂后产生的间距来看，有些连接块断裂后产生了最大10 mm左右的间距(图2)，对于轮辐来说，也即在此处产生了10 mm左右的弯曲塑性变形，连接块的拉伸应力即为轮辐的弯曲应力,其弯曲正应力符合胡克定律。

E为钢材的弹性模量，对于普通不锈钢约为194 GPa；ε为弹性应变；y为变形量，10 mm；ρ为曲率半径。

轮辐原长L即为连接块处的轮辐半径减去轮毂半径(190 mm)，计算为825 mm(1425-410-190),变形后长度近似等于原长L，变形后弧度为θ(10/825)，曲率半径计算为34 031 mm。相关数值代入式(5)计算出该处轮辐的弯曲正应力为57 MPa，此力即为连接块所受的拉伸应力。曲率半径计算相关几何关系如图3所示。

图2　连接块断裂部位图

图3　曲率半径计算几何关系示意图

3.3连接块强度校核与分析

根据GB150，普通不锈钢板在300 ℃时，抗拉强度σb为127 MPa，许用应力[σ]为114 MPa，抗剪许用应力[τ]为85 MPa。连接块的断裂部位基本集中在两个位置，一是角焊缝根部，二是连接块两端坡口边缘。根据前面的计算，连接块受到的拉伸应力为57 MPa(为抗拉许用应力的一半，虽然为静应力，但由于12室圆盘受物料返混、EG蒸发、物料阻力等的冲击与影响，静应力并不是一成不变的，可近似看为应力幅变化较小的交变应力)，剪切力为4.1 kPa(近似看为脉冲交变应力)。

连接块在受到拉伸应力的同时受到物料的交变剪切力等，其持久极限计算式为：

σr为材料持久极限，对于低碳钢，取0.4σb；

εσ为尺寸系数，取0.8；

β为表面质量系数，连接块粗糙度全为Ra12.5，取0.85；

Kσ为有效应力集中系数，取1.4；

以上相关数据根据连接块的尺寸及表面粗糙度计算并查表得出，代入式(6)，计算连接块持久极限应力为24.67 MPa，小于连接块的拉伸应力57 MPa。实际上，连接块加工应力集中部位还处于焊缝的热影响区，要考虑到焊缝热影响区强度下降的影响(焊接热影响区近缝区强度一般为母材的0.7～0.9。即使把拉伸应力看作静应力，将σr取σb值计算，再算上焊缝热影响区强度下降(取0.8计算)，连接块的抗拉强度也只有49 MPa，屈服强度只有44.68 MPa。

对于焊缝部位，可将式(6)的加工有效应力集中系数换为焊缝应力集中系数(最大集应力集中部位在根部)，尺寸系数及表面质量系数换为焊缝强度系数(在无严格焊接工艺控制的情况下，其强度系数取母材的0.7～0.8，由于焊缝部位受到连接块的较大拉伸应力，还受到到温度升高后热应力及残余应力的拉伸作用，当拉伸变量超过焊缝塑性极限时，就会产生裂纹；另外，物料的剪切应力(交变应力)对角焊缝的寿命影响也极为重要(根据前面的计算，第12室物料剪切力为第1室的720倍)，虽然单独的物料剪力不足以破坏焊缝，但在焊缝受到多种力量综合作用的情况力，较大的剪力对焊缝的寿命影响也很大。

因此，第12室圆盘在圆盘变形轮辐间距较大仍按设计尺寸加工连接块安装的情况下，断裂失效基本是必然的。

4　措施与建议

综合上述的计算与分析，连接块的断裂失效主要受拉伸应力及物料剪切力的影响。第12室由于物料阻力最大，圆盘的变形一般而言也是最大的，连接块受到的拉伸应力也最大。因此，对于圆盘组合加固建议采取如下措施加以改进：

a) 12室圆盘加固连接块的长度要按实际尺寸加工，轮辐拉伸变形量宜控制在3 mm以内。对于其它室圆盘，也要检查圆盘的变形情况，间距与设计尺寸偏差较大的，连接块尺寸也要按实加工。

b) 即使采取增加一块连接块加强的措施，连接块长度与圆盘间距也不宜大于5 mm，同时要避免增加一块连接块造成的二次塑性变形。2007年X单元R05.1圆盘反应器圆盘损坏第一次加固时，由于最后一块圆盘轮毂与键顶丝位置装反，只能将圆盘反装，由于角度变大，倒数第1、2块圆盘两轮辐间均增加了一块连接块，2011年初停车检查时，也断裂了3块。

c) 适当提高连接块的加工精度，特别是坡口及相邻的连接块表面，表面粗糙度应不高于Ra6.3；连接块开坡口的过渡部位要平缓，倒圆角去除棱角，减小应力集中。

d) 圆盘反应器连接块焊接前，清理干净连接块及轮辐，要采用多层焊的方式焊接，不要使用单层焊，减少焊接缺陷及应力集中，焊缝厚度要高于母材确保焊接强度。

e) 工艺操作上要尽量降低出口测的液位，减轻出口侧的搅拌负担。液位若增至40%时，要降低进料负荷。目前圆盘反应器出口液位普遍超过了32%，甚至有超过40%的，使得出口侧的搅拌阻力增大。

[1]张瑞平，许智丰，姜际昭，等．聚酯生产设备[M]．南京：东南大学出版社，1991：215．

[2]郭松林.吉玛公司聚酯装置终缩聚圆盘反应器[J].聚酯工业,1996,(2)：55-64.

Fracture failure analysis and improvement of disc reinforced connection block of disc reactor

Yu Shengyao

(PETProductionCenterofSinopecYizhengChemicalFibreL.L.C.,YizhengJiangsu211900,China)

Disc reinforcement connecting block failure of disc reactor causes on polyester device were analyzed and calculated. Under certain conditions, disc reinforcement connecting block failure was inevitable. At the same time, the improvement measures and suggestions were put forward, which could guide the strengthening and improvement of the disc for future.

disk reactor；connection block；fracture；viscosity；tensile stress；strength check

2016-08-15

余胜尧(1979―)，贵州水城人，高级工程师，主要从事聚酯设备管理工作。

TH17

B

1006-334X(2016)03-0033-05