反应釜过热变形失效原因分析及处理

刘宏战

摘 要：反应釜作为现代工业生产中重要的生产设备，在运行过程中难免地会出现一些问题，影响了生产安全性。为此，本文结合实际案例，对某化工企业1台反应釜筒体下部出现过热变形、壁厚减薄等现象进行检验，从材料、介质以及加热方式因素等方面入手，对其失效原因进行了分析，并提出了相关的处理措施。

关键词：反应釜；检验；失效分析；处理

引言

反应釜是工业生产中用作化学反应的容器，通常根据不同的工艺条件需求进行容器的结构设计与参数配置，实现工艺要求的加热、蒸发、冷却及低高速的混配功能。由于反应釜长期处于高温高压的工况下，在使用过程中往往会出现过热变形、壁厚减薄、材料性能劣化等现象，倘若不及时解决，将会严重威胁着压力容器的安全使用，甚至有可能造成非常严重的后果。因此，使用反应釜时应要加强检验、使用等管理，避免发生安全事故。

1.实际案例

1.1设备概况

某化工企业1台“改质沥青反应釜”进行了定期检验。该台压力容器于2012年10月开始投用。该釜结构如图1所示，相关数据见表1。

由于该容器为直接受火焰加热容器，容器下封头局部和整个筒体被保温墙体所包围。整个釜体的安装穿越2层工作平台，燃烧室安置在第二层平台上，在顶层工作平台上有上封头、人孔、安全附件及搅拌设施。该釜加热使用的燃烧介质为经过简单净化后的焦炉煤气，可燃成分主要为CH4，H2，CO等，火焰温度达到980℃、烟室烟道温度达到700℃、介质温度390℃，每天24h运行。每次持续一个半月，加热过程中，在容器内顶部产生的气态闪蒸油为易燃易爆介质且含有H2S成分，搅拌机转速3r/min。原设计每天处理原料200t，現每天处理400t。使用中容器内壁有局部结焦现象，厚度可达30mm，每一个半月停机后采用机械方法进行内部除焦。

1.2检验结果

通过检验，发现存在以下问题：

（1）内外部宏观检验中，有两处变形部位：①在距下封头与筒体连接的环焊缝1600mm长度范围内的筒体上，存在弧长约1700mm的大面积环向带状过热变形区，面积约2.72m2（波数为2），变形部位最大深度约50mm、最小壁厚18.3mm。此处筒体外壁正对燃烧室（以下简称Ⅰ号变形区）；②在Ⅰ号变形区对面距下封头与筒体连接的环焊缝1600～2650mm范围内，筒体上存在弧长约1050mm的大面积环向带状过热变形区，面积约1.1m2（波数为1）变形部位最大深度约30mm、最小壁厚22.6mm。此处外壁正是高温烟气第一个转向部位（以下简称Ⅱ号变形区）。

（2）硬度检验中，检验其硬度值为内壁HB139、外壁HB184。Ⅰ号变形区域最深处进行硬度检测分别为内壁HB324、外壁HB433；Ⅱ号变形区内壁HB320、外壁HB398。经对比表明变形区域硬度值明显偏高。

（3）金相检查中，发现晶界出现烧熔组织结构，符合金属过烧组织特征，材料性能严重劣化。

（4）最小壁厚18.3mm，远远小于30mm的设计壁厚。强度校核后，剩余壁厚已不满足安全运行的要求。

2.原因分析

2.1材料因素

15CrMoR属于一种中温抗氢钢，热处理常采用正火+回火，在550℃以下时，具有较高的持久强度，但在长时间的恒温、恒应力作用下会缓慢产生塑性变形的蠕变现象。不同材料出现蠕变的温度是不同的。合金钢当温度超过350～400℃时出现蠕变。一般来说，金属只有当温度超过0.3～0.4Tm时才会出现较为明显的蠕变（Tm为材料的熔点，以K为单位）。从表1可见该釜长期在300～400℃温度下运行，蠕变因素对变形失效影响较大。

2.2介质因素

该反应釜使用的介质是煤焦沥青，常温下为黑色固体，无固定的熔点，受热后软化，高温时呈液态，低于180℃不易流动，密度达到1.2kg/m3。反应釜的作用是通过加温加压去除其中的闪蒸油。尽管容器内部装设了3层搅拌装置，但由于这种介质比热容较小不利于热量的吸收和传导，筒体下部局部高温的存在，造成沥青在容器内壁上结焦，厚度能达到3～4cm，形成隔热层，不利于热量的传递。热量大量聚集给过烧、蠕变提供了温度条件。

2.3加热方式因素

该容器为直接受火焰加热容器，加热方式及烟气流程如图2。

在立式容器的外围300mm处砌上两周耐火墙，在筒体下部建立燃烧室，焦炉煤气直接接触容器壁侧向进行加热，每天工作24h。火焰温度达到900℃左右，烟道温度达到700℃，烟道出口温度可达500℃。使用中，超设计温度长期运行。这种加热方式热量过于集中，局部温度过高造成容器筒体局部过热变形。

2.4烟气流程因素

使用中的烟气流程如图2所示，安装保温墙时未按照设计图纸进行施工。高温烟气未能在第1层实现热量交换直接上升进入第2层，在第2层转烟室绕筒体旋转180°后进入第3层，在第3层旋转90°后进入第4层，在第4层旋转90°后进入第5层，旋转180°后进入烟囱排放。这样的烟气流程布置不科学，在第1层高温烟气基本没有围绕筒体旋转进行热量交换，致使高温烟气在进入第2层转弯处温度仍然很高造成此处过热变形，每层烟道都有烟气短路现象发生，不能实现热量的充分交换，换热效率低下，同时造成能源的浪费。

3.处理措施及结果

原反应釜报废处理后，该使用单位新购入一台反应釜进行安装，结合现场条件对新安装的反应釜加热装置及烟道进行了设计改造，改造后如图3。

在第1层烟道直接受火焰加热的筒体外壁铺设一层挡火墙让热量均匀分配，不再直接冲刷筒体。并在第1层烟气入口上部和每层侧面增加挡烟墙使高温烟气围绕筒体螺旋360°进入第2层，同理围绕筒体依次进入3，4，5层，形成烟气围绕筒体螺旋上升的态势最后排出烟道。这样设计，最大限度地延长了烟道流程，防止了烟气短路现象发生，并提高了搅拌设备的转速，实现了热量的充分交换，大大提高了换热效率，改造后升温速度明显提高，煤气使用量减小，烟气出口温度降低。经过一年多运行，检查未见变形现象发生。整改结果不仅延长了设备使用寿命，节约了企业成本；而且热能达到充分利用，节约了能源，减少了污染。

4.结语

总而言之，反应釜是一种反应设备，在使用中一定要十分注意，否则会因为多方面原因造成损坏，最终影响设备的正常运行。本文通过对反应釜过热变形失效原因进行分析，结果表明：加热方式和烟气流程布置存在的缺陷是造成反应釜变形失效的主要原因。并对新安装的反应釜进行了设计改造，确保了设备的安全运行，企业也获得了良好的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1] 冯乐军，余永增，刘洪涛，尹金明.催化剂反应釜密封系统失效分析与改造[J].石油化工设备.2011， 40 （2） ：92-95

[2] 王齐莉.反应釜釜体变形的CFD分析及改进[J].科学与财富.2012（12）：301-301