一臺反應(yīng)釜腐蝕開裂情況的分析和預(yù)防研究

肖杰，王宏虎

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院泰州分院，江蘇 泰州 225300）

1 前言

從廣義上來說，在其內(nèi)部發(fā)生物理反應(yīng)或者是化學(xué)反應(yīng)的容器都可以被稱為反應(yīng)釜，其作用一般是對其內(nèi)容物進(jìn)行加熱、蒸發(fā)或冷卻和充當(dāng)反應(yīng)容器。隨著我國工業(yè)發(fā)展進(jìn)程的不斷加快，反應(yīng)釜也得到了越來越多的應(yīng)用，作為石油煉制、化學(xué)工業(yè)、醫(yī)用制藥和橡膠制造等生產(chǎn)領(lǐng)域的重要生產(chǎn)工具，反應(yīng)釜在硫化、縮合、烴化等生產(chǎn)工藝中都發(fā)揮著重要作用。但在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，由于反應(yīng)釜大多都處于高溫、高腐蝕性等的生產(chǎn)條件中，而且生產(chǎn)環(huán)境十分復(fù)雜，在生產(chǎn)過程中會發(fā)生多樣的化學(xué)反應(yīng)，以上種種原因都會造成反應(yīng)釜的腐蝕開裂，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致生產(chǎn)事故的發(fā)生。因此，需要對反應(yīng)釜腐蝕開裂的原因進(jìn)行分析，并采取有效的措施進(jìn)行預(yù)防。

2 反應(yīng)釜簡介

我市一化工廠有一臺2007年生產(chǎn)并于當(dāng)年投入生產(chǎn)使用的反應(yīng)釜，設(shè)計壓力容器內(nèi)為-0.1～3.3MPa,夾套為0.66MPa；工作壓力容器內(nèi)為-0.1～3.0MPa,夾套為0.6MPa。設(shè)計溫度容器內(nèi)為290℃,夾套290℃；工作溫度容器內(nèi)為230℃,夾套為230℃。內(nèi)筒筒體和下封頭材質(zhì)為16MnR+ N6（24+4）,上封頭材質(zhì)為16MnR,厚度為28mm，夾套材質(zhì)為Q235-B。內(nèi)筒內(nèi)介質(zhì)為氫氣、甲醇、氫氧化鈉溶液（濃度＜30%），夾套內(nèi)介質(zhì)為導(dǎo)熱油。16MnR之間用焊條J507、N6和16MnR，間用牌號為ERNi-1焊絲，容器不進(jìn)行熱處理。在上封頭和筒體之間的對接焊縫上加焊一塊厚度2.5mm、寬40mm的N6蓋板。裂紋產(chǎn)生部位示意圖如圖1。

圖1 裂紋產(chǎn)生部位結(jié)構(gòu)示意圖

2012年10月，一次生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)在上封頭與筒體連接的焊縫及附近的母材部位有蒸汽泄漏，進(jìn)行內(nèi)部檢查時，發(fā)現(xiàn)在上封頭與筒體連接的焊縫的蓋板的上口與上封頭焊接的搭接縫沿封頭（16MnR）側(cè)的融合線整圈裂開，在筒體與封頭的焊縫及兩側(cè)母材也發(fā)現(xiàn)了多條裂紋，在開裂處附近對筒體與封頭的焊縫兩側(cè)進(jìn)行測厚檢驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)，開裂部位的最小厚度僅為10mm，而其他部位上封頭的厚度約為25mm左右。

3 反應(yīng)釜腐蝕開裂的原因分析

3.1 設(shè)計、選材不合理

設(shè)計時，設(shè)計者知道介質(zhì)對容器有腐蝕性，所以筒體和下封頭采用16MnR+ N6復(fù)合材料，而上封頭采用16MnR，另外，由于設(shè)計者擔(dān)心上封頭腐蝕后在焊縫部位形成界面突變（截面不連續(xù)），產(chǎn)生應(yīng)力集中，所以在焊縫部位加上一蓋板，但在使用5年后，上封頭的厚度僅為25mm，腐蝕速率達(dá)到每年0.6mm，而蓋板的焊接熔深大約為2mm，所以腐蝕量超過2mm的情況下，蓋板根本不起作用，另外，設(shè)計者對介質(zhì)在高溫環(huán)境下對上封頭的腐蝕情況認(rèn)識不夠。

3.2 制造工藝的影響

反應(yīng)釜封頭可通過旋壓或者沖壓形成封頭，但通常選用旋壓工藝形成的封頭，但是，由于旋壓法的固有特性，在加工過程中經(jīng)常會造成材料發(fā)生不均勻的塑性變形，從而產(chǎn)生加工殘余應(yīng)力，內(nèi)表面受拉，外表面受壓。旋壓封頭冷加工成型，加工硬化會使材料的塑形降低，而此時的殘余應(yīng)力將對封頭的脆斷傾向、疲勞壽命以及應(yīng)力腐蝕開裂產(chǎn)生較大的影響。另外，由于封頭與筒體采用焊接方式連接，而對接接頭由焊縫金屬、熔合區(qū)、熱影響區(qū)和鄰近的母材所組成。焊接接頭中的化學(xué)成分、金相組織和力學(xué)性能一般是不均勻的，另外，由于筒體與封頭的厚度較厚，焊接時分多層多道焊接，加上焊接完成后焊縫不進(jìn)行消應(yīng)力處理，所以焊縫部位存在較大的焊接殘余應(yīng)力。

3.3 高溫下的堿環(huán)境致使蓋板和上封頭腐蝕

反應(yīng)釜在化工領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，當(dāng)反應(yīng)釜作為承載化學(xué)反應(yīng)的容器時，其內(nèi)部經(jīng)常會充滿各種堿溶液，且反應(yīng)通常需要較高的反應(yīng)溫度。以下的氫氧化鈉溶液，夾套內(nèi)的介質(zhì)則為一般的導(dǎo)熱油。對該反應(yīng)釜的開裂原因進(jìn)行分析，不難發(fā)現(xiàn)，這就是屬于典型的反應(yīng)釜在高溫堿環(huán)境下發(fā)生的腐蝕開裂。在工業(yè)生產(chǎn)中氫氧化鈉的應(yīng)用范圍很廣，在溫度較低時，低濃度的氫氧化鈉溶液并不會對鐵基合金造成很強(qiáng)烈的腐蝕作用，但是，前文中已經(jīng)提到，該反應(yīng)釜的生產(chǎn)溫度在230℃左右，屬于較高溫度，而在高溫情況下，氫氧化鈉溶液對鐵基合金的腐蝕作用大大增強(qiáng)。在生產(chǎn)過程中，高溫環(huán)境下的氫氧化鈉溶液會不斷腐蝕上封頭致使其厚度均勻減薄。該反應(yīng)釜的上封頭與筒體的焊縫上加焊的蓋板與上封頭間的角焊縫焊腳的熔深約為2mm左右，當(dāng)上封頭的腐蝕量超過蓋板角焊縫焊腳的熔深時，在蓋板的角焊縫和上封頭間就形成了一條縫隙，而蓋板與筒體的復(fù)合層材質(zhì)均為N6,在介質(zhì)中沒有腐蝕，這樣在蓋板與上封頭間就形成了一個死角，死角內(nèi)的氫氧化鈉濃度會越來越高，加上該容器長期在230℃左右溫度下使用，所以腐蝕的速度也越來越快。當(dāng)腐蝕達(dá)到一定量時，在某些由于制造過程中應(yīng)力集中的部位就會產(chǎn)生裂紋。

3.4 操作人員未嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程

在事后分析該反應(yīng)釜發(fā)生腐蝕開裂的原因時，發(fā)現(xiàn)在生產(chǎn)過程中存在一些工作人員未嚴(yán)格按照要求對反應(yīng)釜進(jìn)行定期檢查和監(jiān)測的現(xiàn)象。作為化學(xué)工業(yè)等諸多領(lǐng)域的重要生產(chǎn)設(shè)備，對反應(yīng)釜進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測、定期檢查和維護(hù)是必不可少的，特別是針對這種介質(zhì)對容器有一定腐蝕性的容器，平時一定要定期進(jìn)行檢查，及時發(fā)現(xiàn)問題；另外，操作人員在投料時未嚴(yán)格執(zhí)行每次的投料量，所以在攪拌器的作用下，介質(zhì)經(jīng)常超過蓋板部位，加速了焊縫部位的腐蝕。

4 結(jié)語

為了預(yù)防反應(yīng)釜在運(yùn)行中出現(xiàn)腐蝕開裂，根據(jù)前文分析，應(yīng)做到以下幾方面：（1）設(shè)計選材時，一定要充分了解在設(shè)計溫度范圍內(nèi)介質(zhì)對容器的腐蝕情況。根據(jù)介質(zhì)的情況合理地選用容器的材料。（2）對初次使用的容器，特別是介質(zhì)對容器有腐蝕性的容器，在平時的使用過程中，特別是在第一個法定檢驗(yàn)周期內(nèi)，要加強(qiáng)檢查和監(jiān)測的力度。經(jīng)常對耐腐蝕的厚度進(jìn)行檢查，及時了解耐腐蝕層的腐蝕或磨損情況。（3）生產(chǎn)過程中要求操作人員要嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，嚴(yán)格執(zhí)行工藝要求的加料順序和加料量。