高壓聚乙烯超高壓管式反應(yīng)器全壽命周期管理探討

耿東方唐迎迎

（國能榆林化工有限公司 陜西榆林 719319）

1 概述

管式法工藝最初由BASF 公司開發(fā)，目前，該公司仍在出售技術(shù)。BASF、DSM、EniChem 和Exxon 均開發(fā)了單線能力達(dá)20萬t∕a以上的現(xiàn)代管式反應(yīng)器。目前，國內(nèi)高壓聚乙烯裝置開車運(yùn)行約30 套，總產(chǎn)能約450 萬t∕年。高壓聚乙烯反應(yīng)系統(tǒng)有兩種，一種是釜式反應(yīng)器，另一種是超高壓管式反應(yīng)器。目前，國內(nèi)選擇超高壓管式反應(yīng)器的裝置占比80%以上。高壓聚乙烯工藝技術(shù)近10年在國內(nèi)快速發(fā)展，近十年增加產(chǎn)能約240 萬t∕年，占比總產(chǎn)能約53%，尤其是近年煤化工技術(shù)在國內(nèi)得到快速發(fā)展，以國能榆林、新疆公司為代表的新型煤化工企業(yè)得到快速發(fā)展［1-2］。

超高壓管式反應(yīng)器是高壓聚乙烯裝置核心設(shè)備，其運(yùn)行工況極其苛刻，操作維護(hù)難度極大。目前，超高壓管式反應(yīng)器全部采用進(jìn)口設(shè)備。超高壓管式反應(yīng)器設(shè)計(jì)壓力360MPa，最大操作溫度300℃，設(shè)備制造難度極大。超高壓管式反應(yīng)器生產(chǎn)廠家主要集中在與高壓聚乙烯專利商早期合作開發(fā)的幾個(gè)少數(shù)廠家，主要品牌是德國伍德、德國巴斯夫、奧地利BHDT、美國KMT等。目前，國內(nèi)還沒有超高壓管式反應(yīng)器制造使用業(yè)績。隨著近年國內(nèi)高壓聚乙烯項(xiàng)目持續(xù)快速開展，對超高壓管式反應(yīng)器設(shè)備需求持續(xù)加大，由于超高壓管式反應(yīng)器生產(chǎn)廠家有限，設(shè)備、備件采購最終用戶都處于一種比較被動(dòng)的地位，因此，對于超高壓管式反應(yīng)器全壽命周期管理就顯得尤為重要。

這里，以國能榆林高壓聚乙烯工藝展開介紹，采用專利商Basell公司管式反應(yīng)專利技術(shù)，德國Basell公司最先進(jìn)的LUPOTECH TS?高壓聚乙烯管式反應(yīng)器技術(shù)，由德國UHDE工程公司承擔(dān)工藝包設(shè)計(jì)及超高壓管道詳細(xì)設(shè)計(jì)，由中國寰球大慶石化工程分公司承設(shè)計(jì)。榆林化工公司LDPE 裝置采用德國Basell 公司的LUPOTECH TS?高壓管式反應(yīng)器技術(shù)，超高壓管式反應(yīng)器包含預(yù)熱器、反應(yīng)器（其中反應(yīng)器分4個(gè)區(qū)）、后冷器3個(gè)部分。以榆林化工公司LDPE 超高壓管式反應(yīng)器準(zhǔn)規(guī)格為例，規(guī)格型號DN75、PN3600。超高壓管式反應(yīng)器由帶有夾套的高壓管組成，內(nèi)部高壓管連接在一起，設(shè)備整個(gè)放在鋼結(jié)構(gòu)上。夾套側(cè)的介質(zhì)和高壓管側(cè)的介質(zhì)是逆向流動(dòng)。不同的一列反應(yīng)器滿足不同的工作。超高壓反應(yīng)器主要指1 區(qū)42 根反應(yīng)管，2 區(qū)36 根反應(yīng)管，3區(qū)30根反應(yīng)管，4區(qū)18根反應(yīng)管，反應(yīng)器預(yù)熱器36根，后冷器30根，共計(jì)192根。由于LDPE 裝置工藝特點(diǎn)，正常生產(chǎn)過程中，反應(yīng)器操作溫度在290～310℃、壓力在250～270MPa。裝置于2015年12月25日一次性投料試車，開車至今運(yùn)行超過5年，裝置中的高壓反應(yīng)器、預(yù)熱器、后冷器由德國伍德公司生產(chǎn)制造［3-4］。

2 超高壓管式反應(yīng)器管理現(xiàn)狀

通過調(diào)研目前國內(nèi)LDPE 裝置，超高壓管式反應(yīng)器各省管理不統(tǒng)一，有的省將超高壓管式反應(yīng)器劃歸為壓力容器，但是在容規(guī)上對于壓力超過100MPa的壓力容器也未有明確要求。省特檢院在辦理壓力容器使用證時(shí)，也僅是依據(jù)外商提供的資料給予辦理壓力容器使用證。

有的省份將超高壓管式反應(yīng)器劃歸為壓力管道，但是容規(guī)對于超高壓壓力管道的定義為42MPa。辦證也是類似上述情況。最新的容規(guī)已經(jīng)明確，超高壓管式反應(yīng)器不需要辦理使用證，但是對于超高壓管式反應(yīng)器的安全性評價(jià)仍然沒有明確。國內(nèi)各家緊緊依據(jù)外觀檢測，依據(jù)開車早的裝置運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)管理，缺乏有效的檢測手段及措施，超高壓管式反應(yīng)器的全壽命管理仍是在探索中推進(jìn)。

榆林化工LDPE裝置開工至今運(yùn)行整體平穩(wěn)，由于裝置運(yùn)行特點(diǎn)，同時(shí)，考慮超高壓管式反應(yīng)器內(nèi)物料發(fā)生過分解反應(yīng)，部分超高壓管式反應(yīng)管受到高壓、高溫等因素影響，可能會影響超高壓管式反應(yīng)管使用壽命。目前，需要專業(yè)手段對超高壓管式反應(yīng)器安全評價(jià)，以確保超高壓管式反應(yīng)器運(yùn)行可靠。榆林化工LDPE 裝置，除R1301R1反應(yīng)器的1個(gè)180°彎頭及2件透鏡墊于2019年7月被替換外，其他所有反應(yīng)器、預(yù)熱器和后冷器的高壓部件均已經(jīng)服役5年半以上，未作任何檢測。

3 超高壓管式反應(yīng)器常見失效形式

超高壓管式反應(yīng)器裝置運(yùn)行中可能出現(xiàn)的4種損傷如下。

（1）疲勞裂紋：沿高壓管和彎頭軸向出現(xiàn)裂紋，三通（方箱）上出現(xiàn)裂紋，螺紋處出現(xiàn)裂。

（2）內(nèi)表面硬化：隨嚴(yán)重分解反應(yīng)出現(xiàn)，硬化層深度達(dá)幾毫米，裂紋可能出現(xiàn)在硬化層上。

（3）停車腐蝕：出現(xiàn)在有夾套和無夾套的管子交界，冷熱交變，產(chǎn)生有機(jī)酸并冷凝，局部發(fā)生并發(fā)展。

（4）頻繁超溫超壓分解對反應(yīng)器影響較大，雖然目前還未有定量的研究，但是頻繁的溫超壓分解將嚴(yán)重影響反應(yīng)器的服役周期。

同時(shí)，超過3年的超高壓管式反應(yīng)器有突然失效的風(fēng)險(xiǎn)。由于超高壓管式反應(yīng)器極其苛刻的運(yùn)行工況，在超高壓管式反應(yīng)器全壽命周期管理過程中，存在很大的不確定性，如何開展全壽命周期管理是一個(gè)永恒的課題，也是保證超高壓管式反應(yīng)器長周期平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)。

4 超高壓管式反應(yīng)器全壽命管理探究

4.1 超高壓管式反應(yīng)器安裝質(zhì)量控制

超高壓管式反應(yīng)器的安裝質(zhì)量控制是超高壓管式反應(yīng)器全過程壽命管理探究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。關(guān)于超高壓管式反應(yīng)器安裝質(zhì)量控制，重點(diǎn)做好以下工作。

（1）做好超高壓管式反應(yīng)器到貨驗(yàn)收工作。專業(yè)技術(shù)人員依據(jù)合同，清點(diǎn)到貨超高壓管式反應(yīng)器部件到貨情況。

（2）做好超高壓管式反應(yīng)器到貨部件防護(hù)工作。安裝期是當(dāng)?shù)氐挠昙?，所以必須有足夠的防風(fēng)、防雨用品。每個(gè)小組都有防雨、防風(fēng)棚，還要準(zhǔn)備遮蓋高壓管道防雨棚布。當(dāng)日施工前，要根據(jù)天氣情況做好防風(fēng)、防雨準(zhǔn)備。螺紋法蘭的安裝盡量在室內(nèi)進(jìn)行。

（3）做好超高壓管式反應(yīng)器螺紋法蘭的安裝、組對等預(yù)安裝工作。要在現(xiàn)場創(chuàng)造條件，高質(zhì)量開展超高壓管式反應(yīng)器螺紋法蘭的安裝、組對等預(yù)安裝工作需特別注意以下兩點(diǎn)：一是超高壓管式反應(yīng)器部件防護(hù)油脂的清理時(shí)間，要保護(hù)性安裝不能過早清理保護(hù)油脂，同時(shí)要防止油脂粘黏雜物；二是做好預(yù)安裝后的半成品防護(hù)工作。

（4）做好超高壓管式反應(yīng)器法蘭螺栓預(yù)緊和液壓緊固工作。依據(jù)超高壓管式反應(yīng)器操作維護(hù)手冊，需特別注意以下兩點(diǎn)：第一，重視管托管支架的安裝。螺栓預(yù)緊力施加應(yīng)按給定值的25%、50%、75%、100%分步進(jìn)行，最終預(yù)緊力需進(jìn)行測量；第二，經(jīng)驗(yàn)值。透鏡墊同心度數(shù)據(jù)要控制在外商技術(shù)要求精度的最大范圍1∕4以內(nèi)。

（5）做好超高壓管式反應(yīng)器無應(yīng)力配管安裝工作。

（6）配合好超高壓管式反應(yīng)器吹掃工作。需提前要把超高壓管式反應(yīng)器安裝施工方案與超高管式反應(yīng)器吹掃方案一起統(tǒng)統(tǒng)，避免因吹掃頻繁拆裝超高壓管式反應(yīng)器部件。

（7）做好氣密、液壓試壓工作。依據(jù)超高壓管式反應(yīng)器升壓曲線進(jìn)行，第一次升壓對于整個(gè)超高壓管式反應(yīng)器系統(tǒng)可靠性具有重要意義，尤其是對于超高壓管式反應(yīng)器自增強(qiáng)等影響巨大。

4.2 超高壓管式反應(yīng)器運(yùn)行維護(hù)

超高壓管式反應(yīng)器運(yùn)行維護(hù)是全壽命周期管理中一項(xiàng)重要任務(wù)，主要做好以下工作。

（1）由于高壓聚乙烯裝置運(yùn)行特點(diǎn)，裝置運(yùn)行工況極其苛刻，開停車次數(shù)相對較多，尤其裝置開車初期，有的裝置年開停車次數(shù)甚至到達(dá)20次以上，頻繁開停車會給超高壓管式反應(yīng)器帶來潛在的不良影響。

（2）反應(yīng)器夾套熱水系統(tǒng)水質(zhì)控制，確保水質(zhì)氧含量、pH 值等關(guān)鍵數(shù)據(jù)指標(biāo)可控，防止超高壓管式反應(yīng)器夾套管點(diǎn)蝕等。

（3）尤其要關(guān)注，因超溫超壓分解導(dǎo)致的裝置緊急停車，重點(diǎn)標(biāo)記發(fā)生分解的超高壓管式反應(yīng)器部位，擇機(jī)定期檢查。

（4）要關(guān)注超高壓管式反應(yīng)器相關(guān)聯(lián)鎖投用情況，為了短期效益解除聯(lián)鎖運(yùn)行是絕對禁止的。

4.3 超高壓管式反應(yīng)器安全性評價(jià)

目前，對于超高壓管式反應(yīng)器安全狀況，缺少評價(jià)手段，尤其是現(xiàn)在環(huán)保壓力極大的情況下，如何確保LDPE裝置超高壓管式反應(yīng)器長周期穩(wěn)定運(yùn)行、如何避免反應(yīng)器備件過度更換是一個(gè)亟待解決的課題。亟須一種科學(xué)的檢測手段可以定量、直觀地評價(jià)超高壓反應(yīng)器的安全狀況運(yùn)行狀態(tài)?？梢远垦芯砍邏汗苁椒磻?yīng)器自增強(qiáng)變化情況（超高壓反應(yīng)管內(nèi)壁硬化情況）、超高壓管式反應(yīng)器內(nèi)壁腐蝕情況、破壞性晶相分析超高壓反應(yīng)管部分連接透鏡墊硬化情況及發(fā)生分解后，分解位置對于反應(yīng)管的性能影響等。目前，常用的檢測方法如下。

旋轉(zhuǎn)渦流檢測。旋轉(zhuǎn)渦流—內(nèi)窺鏡檢測方法是由BASF 無損檢測功能中心針對LDPE 裝置檢驗(yàn)開發(fā)的，能有效檢測高壓夾套管內(nèi)表面軸向裂紋和腐蝕缺陷的檢驗(yàn)工具。預(yù)熱器、反應(yīng)器、后冷器和中間冷卻器的高壓管通常配有水夾套，所以無法從管外側(cè)對管內(nèi)表面實(shí)施檢測。而管內(nèi)表面承受應(yīng)力最高并與介質(zhì)接觸，是疲勞裂紋和腐蝕的發(fā)源地?？梢詮墓軆?nèi)側(cè)實(shí)施檢測的旋轉(zhuǎn)渦流和內(nèi)窺鏡解決了此問題。

相控陣超聲波檢測。相控陣超聲波檢測原理：相控陣（Phased Array）超聲檢測技術(shù)是利用延遲電路的電子技術(shù)來控制相控陣探頭合成的來實(shí)現(xiàn)超聲波發(fā)射、接收的方法。相控陣探頭有多個(gè)小晶片，其每一個(gè)晶片被獨(dú)立激發(fā)，根據(jù)各晶片相對于被檢目標(biāo)的不同聲程施加不同的延遲時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)聲束的角度和聚焦點(diǎn)的變化。

目前，主要檢測評價(jià)還是依賴原設(shè)備廠家，尤其是處于壟斷地位的超高壓管式反應(yīng)器制造廠家，如BASF或UHDE 反應(yīng)器專用渦流檢測、相控陣超聲、磁粉探傷、應(yīng)力分析、破壞性晶相分析（超過壓反應(yīng)管部分連接透鏡墊）、BASF 或UHDE 反應(yīng)器評價(jià)指標(biāo)、UHDE 設(shè)計(jì)指標(biāo)、高清內(nèi)窺鏡檢測、自增強(qiáng)分析、金屬材料理化分析。

4.4 超高壓管式反應(yīng)器預(yù)知維護(hù)

榆林化工LDPE 裝置超高壓管式反應(yīng)器操作壓力一般在270MPa左右，最高工作壓力340MPa，設(shè)計(jì)壓力360MPa。超高壓管式反應(yīng)器運(yùn)行壓力極高，運(yùn)行工況極其苛刻，預(yù)知維護(hù)對于超高壓管式反應(yīng)器長周期安全平穩(wěn)運(yùn)行具有重要意義，尤其是超高壓管式反應(yīng)器一旦失效，造成的后果將是災(zāi)難性的，這就要求超高壓管式反應(yīng)器專業(yè)技術(shù)管理人員具備一定的專業(yè)素養(yǎng)。依據(jù)超高壓管式反應(yīng)器運(yùn)行數(shù)據(jù)收集及檢測結(jié)果，科學(xué)研判推行超高壓管式反應(yīng)器預(yù)知檢修，這里需要說明的一點(diǎn)，超高壓管式反應(yīng)器的預(yù)知檢修，既要防止維修不足也要防止過度檢修。具體怎樣做好這項(xiàng)工作是一個(gè)復(fù)雜的命題，需要做好以下工作。

（1）超壓管式反應(yīng)器操作維護(hù)手冊是重要抓手，因?yàn)槌邏汗苁椒磻?yīng)器的特殊性。目前，超高壓管式反應(yīng)器企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是最高標(biāo)準(zhǔn)。預(yù)知維護(hù)要嚴(yán)格依據(jù)操作維護(hù)手冊。

（2）要借鑒開車時(shí)間早于榆林化工裝置的運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，尤其要與國內(nèi)同類設(shè)備用戶交流，舉一反三地通過運(yùn)行數(shù)據(jù)及故障情況進(jìn)行比對交流，為下一步?jīng)Q策提供充分的依據(jù)。

（3）要與原設(shè)備廠家增加信息交流，尤其是設(shè)備備件產(chǎn)品升級換代較快，了解超高壓管式反應(yīng)器的運(yùn)行維護(hù)前言信息，因?yàn)槌邏汗苁椒磻?yīng)器部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)廠家保密，最終用戶無法拿到核心數(shù)據(jù)。目前，如德國伍德、巴斯夫等超高壓管式反應(yīng)器制造廠家都在積極開展超高壓管式反應(yīng)器安全性評價(jià)，如果可能，可依托原設(shè)備廠家，對榆林化工超高壓管式反應(yīng)器運(yùn)行到一定階段開展安全性評價(jià)。

（4）科學(xué)合理儲備部分超高壓反應(yīng)器備件，同時(shí)，要對國內(nèi)同類裝置超高壓管式反應(yīng)器備件情況摸底，以備不時(shí)之需。

（5）由于高壓聚乙烯裝置運(yùn)行結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，裝置開停車次數(shù)較多，尤其要利用短暫的停車機(jī)會，定期檢查超高壓管式反應(yīng)器管件密封點(diǎn)泄露情況；定期檢查受壓元件的腐蝕和侵蝕情況；定期檢查檢查反應(yīng)器系統(tǒng)的最小壁厚情況，如果壁厚太薄，則需要及時(shí)更換備件。

（6）重視超高壓管式反應(yīng)器檔案資料管理，建立超高壓管式反應(yīng)器設(shè)備技術(shù)檔案，動(dòng)態(tài)管控，做好超高壓管式反應(yīng)器原始施工數(shù)據(jù)、運(yùn)行周期內(nèi)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)、檢修內(nèi)容、安全性評價(jià)、檢修記錄等關(guān)鍵數(shù)據(jù)等的收集；定期召開專題會，分析比對，尤其是重點(diǎn)關(guān)注本次運(yùn)行周期內(nèi)變化較大的數(shù)據(jù)，重視細(xì)微的參數(shù)數(shù)據(jù)變化，做到隱患早發(fā)現(xiàn)早處理，嚴(yán)禁超高壓管式反應(yīng)器帶病運(yùn)行，確保超高壓管式反應(yīng)器全壽命周期安全可靠運(yùn)行［5-6］。

5 結(jié)語

超高壓管式反應(yīng)器全壽命管理是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的課題。對于超高壓管式反應(yīng)器全壽命管控，由于極其苛刻額運(yùn)行條件，專業(yè)技術(shù)人員要對超高壓管式反應(yīng)器要心存敬畏之心，時(shí)時(shí)以如臨深淵、如履薄冰的態(tài)度，以科學(xué)的運(yùn)行維護(hù)方法，尊重客觀規(guī)律，運(yùn)用現(xiàn)代化檢測方法，對超高壓管式反應(yīng)器定期開展安全評價(jià)，通過動(dòng)態(tài)管控及合理的預(yù)知檢修，保障超高壓管式反應(yīng)器全壽命周期、安全平穩(wěn)、長周期運(yùn)行。