聚合反应釜喷射器失效原因分析

刘邦 郭明鑫 李齐 于东林

摘 要：针对某合成树脂厂胶乳聚合反应釜喷射器泄漏失效频率高、对生产影响大的问题，本文对喷射器失效进行了研究，通过实际考察和对比，并通过模拟分析和失效点金相组织分析，得出现有喷射器失效原因是高压汽蚀和氢化腐蚀。通过对喷射器材料选择和结构合理设计，对原有喷射器做了设计改造，经实际使用证明，改造后的喷射器，使用可靠性比较好，有效解决了喷射器失效频率高的生产隐患问题。

关键词：高压汽蚀 氢化腐蚀 泄漏失效 材料选择结构设计

中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）05（a）-0081-03

某石化生产厂合成树脂车间胶乳聚合反应釜是合成树脂工艺的关键设备，反应釜单元的任何管路和设备失效或故障，都会给生产和生产安全造成不同程度的影响。该厂反应釜进料高压喷射器经常发生泄漏失，平均每月泄漏两次。反应釜进料高压喷射器泄漏，需要聚合单元停车，以便对泄漏的高压喷射器进行补焊，严重影响了正常生产，也拉高了生产能耗和生产成本，影响产品质量的稳定性；同时，喷射器的泄漏，也是生产的安全隐患。

1 喷射器泄漏模式和工况分析

胶乳反应釜喷射器泄漏，都是在同一个位置发生，而且都是喷射性点泄漏，如下图1所示。喷射器的工况是，喷射管内是常温工艺水，进口压力为0.6MPa，喷射压力为1.0MPa；蒸汽温度120℃、压力0.4MPa，如图2所示。

2 喷射器失效原因分析

从胶乳反应釜喷射器工况情况和失效模式，对喷射器失效原因从结构、工况和选材三个方面进行分析。

2.1 喷射器结构分析

高压喷射器的结构形式如图3所示，其中，①处为工艺水进入，②处为进高压蒸汽进入。

从结构分析，改变喷射器喷射段、射流段长度，可以改变喷射器工作时的受力状态和工艺状态。

2.2 喷射器工况

利用ANASYS 软件对喷射器工况模拟，显示其冲蚀情况分析（如图4所示）。

从工作应力上看，喷射器喷射段处于增压过程，工作应力最高，但工作介质温度相对于射流段低；射流段工作应力不仅较高，仅次于喷射段应力，而且工作介质温度较高。应力状况分析如图5所示。

从喷射器压力變化上看，喷射器射流段出口处压力突变较大，压力突然升高，这是由于工艺水经加热，产生蒸汽，随工艺水流动至该处时，形成瞬时高压；同时由于工艺水水温升高，该段水压处于下降过程，溶解气体的能力下降。这样，造成汽蚀，如图6所示。

从喷射器冲蚀情况模拟来看，喷射器在喷射段的冲蚀程度小于射流段的冲蚀程度，射流段点泄漏处的冲蚀最为严重。这是由于射流段的工艺水温度升高，导致该段材料温度相应升高，材料耐冲蚀能力下降；同时由于工艺水在射流段后经变径段，流入等径工艺管，发生流态变化，在变径前形成回流，尤其形成水蒸气回流，对泄漏点处形成冲蚀。

2.3 喷射器材质分析

喷射器采用304钢制造，在喷射器泄漏点进行材质分析，其扫描电镜下的微观形貌如图7所示。

从喷射器射流段泄漏点材料金相组织来看，材料发生明显的腐蚀。这是由于泄漏点处，一方面由于该点受高压汽蚀，诱发点腐蚀；另一方面水蒸气会对该段形成氢化腐蚀，并在高压汽蚀性点腐蚀情况下，氢化腐蚀明显；在高压汽蚀和氢化腐蚀影响下，腐蚀点处材料均一性和成分发生变化，加剧该处腐蚀。

3 喷射器改造

经上述喷射器失效原因分析，对喷射器做如下改造。

在结构上，改变喷流管的喷射段和射流段长度，如图8所示。喷射段长度由原来的115mm改为125mm，射流段长度L1由原来的670mm改为660mm，目的是减小射流段回流影响，总长度L0不变。

在选材上，喷射器选用与304L钢来制造，高温稳定性好，抗冲蚀能力强，抗氢化腐蚀性能良好。

4 结语

通过对胶乳反应釜喷射器的结构分析、工况分析和材料分析，对点泄漏故障频发的高压喷射器进行了新的选材设计和结构设计；按照改造后的设计，制作新的喷射器，安装使用后，到目前为止，已经正常使用近一年时间，没有发生喷射器泄漏失效。

通过喷射器技术改造，提高了设备可靠性和工艺稳定性，降低了设备维护费用，也降低了工艺生产产能消耗，取得了良好经济效益。

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