PTA氧化反應器泄漏失效分析

孔令雷 陳 玲

（化學工業設備質量監督檢驗中心）

PTA氧化反應器泄漏失效分析

孔令雷*陳 玲

（化學工業設備質量監督檢驗中心）

分析了氧化反應器泄漏失效的原因。由于制造時焊縫內部存在未焊透、夾渣等缺陷，加上長期受含固體顆粒物料的沖刷，造成角焊縫嚴重減薄。在開車時升溫升壓工況下，角焊縫承受載荷時撕裂。提出了有效的預防措施，可避免類似事故的發生。

氧化反應器 鈦襯里 沖刷腐蝕 泄漏 未焊透 裂紋

中石化某化工廠一套PTA裝置的3臺氧化反應器 （設備編號為 1HR-301A、 1HR-301B、1HR-301C）并聯運行。2011年6月，使用單位臨時停車進行氧化反應器攪拌軸軸封、電機檢修，檢修合格后開車。在升溫升壓過程中，反應器A和反應器C的下封頭檢漏孔均發生泄漏，其中反應器C較為嚴重，反應器A則輕微泄漏，反應器B無泄漏跡象。于是，使用單位緊急停車，并通知檢驗單位提前進行全面檢驗。本文對這次泄漏事故進行案例分析。

1 設備技術資料

氧化反應器是PTA裝置的關鍵設備，其內部反應主要包括四個步驟，即對二甲苯 （PX）→對甲基苯甲醛 （TALD）→對甲基苯甲酸 （p-TA，又稱PT酸）→對羧基苯甲醛 （4-CBA）→對苯二甲酸 （TA）。這四個氧化反應是串聯反應，一般以醋酸為溶劑，以醋酸鈷、醋酸錳和氫溴酸 （或者四溴乙烷）為催化劑。氧化反應器 （1HR-301A、B、C）的技術資料如表1所示。

氧化反應器襯里的環、縱焊縫均采用搭接焊，焊接節點如圖1、圖2所示。

這3臺氧化反應器上次的全面檢驗情況如下。2007年7月的檢驗由化學工業設備質量監督檢驗中心進行，主要問題是：3臺氧化反應器下封頭襯里存在多處機械碰傷凹坑。其中1HR-301B由于攪拌軸的長短軸連接螺栓剪切斷裂，長軸墜落，葉片在筒體、下封頭襯里上造成多處深碰傷和劃傷，深度0.5～2 mm；缺陷打磨補焊后復檢合格。安全狀況等級定為2級，下次檢驗日期為2011年7月。

表1 氧化反應器性能參數

圖1 蓋板焊節點剖面

圖2 蓋板焊的環、縱焊縫 （俯視圖）

2 檢驗內容及檢驗結果

2.1 檢驗內容

（1）宏觀檢查； （2）厚度測定； （3）內表面襯里蓋板焊焊縫100%滲透檢測； （4）下封頭外表面直探頭超聲波檢測 （檢查碳鋼基層腐蝕情況）；（5）襯里及焊縫金相檢驗，即完好部位與裂紋部位對比； （6）外表面壁厚測定； （7）外表面碳鋼層環、縱焊縫磁粉檢測； （8）外表面碳鋼層環、縱焊縫超聲波檢測。

2.2 檢驗結果

外表面壁厚測定、環縱焊縫磁粉檢測、環縱焊縫超聲波檢測均未見異常，內表面檢驗結果如下。

（1）下封頭中心?1000 mm范圍內，沿攪拌軸攪拌方向，蓋板焊迎料側焊縫及部分蓋板母材沖刷減薄嚴重，實測厚度最小值僅1.4 mm （正常部位3.0 mm左右），見圖3。

圖3 蓋板焊迎料側焊縫及部分蓋板母材沖刷減薄情況

（2）對下封頭及部分下部筒體蓋板焊焊縫進行滲透檢測發現：三條焊縫 （迎料側）存在裂紋，最長300 mm （斷續），見圖4。部分焊縫有泄漏跡象（停車后物料由襯里夾層反滲），見圖5。

圖4 焊縫中的裂紋

圖5 焊縫中的泄漏部位

（3）金相檢驗結果表明，正常部位微觀金相組織為α-鈦，組織分布均勻，未見明顯異常，見圖6；裂紋部位從微觀形貌來看，裂紋主要是沿晶界方向擴展的，且裂紋尖端無分叉，可見該裂紋的形成與介質中的氫原子基本無關，見圖7。

圖6 正常部位金相組織 （100×）

圖7 裂紋部位金相組織 （150×）

（4）由于停車處理及時，泄漏持續時間較短（泄漏后2 h即停車），超聲波檢測未發現下封頭碳鋼基層有明顯的腐蝕空洞。

3 裂紋產生的原因

（1）該容器自1989年9月投用以來，運行時間已長達近22年，且2002年工藝改造后設備負荷由70%提到90%，2006年又提到110%，屬超負荷運行。攪拌軸下部葉片的攪拌作用使物料 (含固體顆粒)對下封頭中心附近的蓋板焊焊縫及母材形成側向沖刷，迎料側焊縫及部分蓋板母材減薄嚴重，其所能承受的載荷強度大大降低，在開車升溫升壓過程中受到拉應力后極易造成撕裂。

（2）從下封頭蓋板拆除后及裂紋打磨補焊的情況看，實際的蓋板焊角焊縫根部存在未焊透、夾渣等現象，其中根部未焊透高度超過1 mm，而整個角焊縫高度為3 mm，即角焊縫高度的1/3基本未焊透，且還伴隨夾渣等缺陷，造成角焊縫根部應力嚴重集中，其所能承受的載荷強度大大降低，見圖8。

由圖8可以看出，實際承受載荷的蓋板焊焊縫厚度最薄處已不足0.5 mm。

圖8 蓋板焊角焊縫

（3）現行開車工藝的升溫升壓時間已由工藝改造前的8 h縮短為約4 h，縮短近一半。短時間內的升溫升壓加劇了本來就已經很薄弱的蓋板焊焊縫的開裂。焊縫開裂基本上都發生在設備開車階段。

（4）攪拌軸下部葉片與水平面的傾角不同，對下部襯里的沖刷也不同，傾角越大，沖刷越強。反應器C的傾角最大，反應器A次之，反應器B最小。反應器A、C兩臺為后來國內廠家測繪后制作的，測繪存在誤差，導致下部葉片傾角與原設計相比偏大。反應器B為原裝廠制作，只進行了維修，未進行更新。反應器A、C兩臺由于傾角偏大，對下部沖刷較反應器B嚴重得多，與實際泄漏現象相對應。反應器B沖刷較輕，但隨著時間推移，也存在襯里角焊縫開裂的可能性。

（5）檢驗檢測人員經驗不足，對沖刷減薄程度未定量分析，只憑以往檢驗經驗對焊縫進行了滲透檢測。當然，滲透檢測時焊縫是完好的，但問題是減薄了的焊縫在開車加載時隨時可能開裂。

4 缺陷修復

由修理單位更換一條嚴重減薄的蓋板，對其余三條蓋板焊焊縫采用鈦焊進行了堆焊加強，且是在裂紋打磨消除后進行堆焊的。

5 對使用單位的建議

（1）在容器及攪拌軸維護檢修時須采取措施，防止襯里造成碰傷、劃傷。

（2）加強現場巡檢。

（3）具備開罐條件時應對下部襯里及焊縫重點進行檢驗檢測。

（4）改進開停車工藝，使之與設備現狀相適應。

（5）條件具備時對下封頭減薄嚴重的襯里蓋板進行更換。

Leakage Analysis of the Oxidation Reactor for PTA Production

Kong LingleiChen Ling

The leakage analysis of the oxidation reactor was performed,it was found that the defects in the welds such as incomplete penetrations and slag inclusions and combining with the persistent erosion from materials containing solid particles had caused serious thinning of fillet welds,then tearing of the fillet welds occurred under heavy loads at elevated temperature and pressure.Effective precautions to such failure are introduced at the end to avoid similar accidents.

Oxidation reactor;Titanium lining;Erosion-corrosion;Leakage;Incomplete penetration;Crack

TQ 052.6

2014-04-21）

*孔令雷，男，1973年生，高級工程師。南京市，210036。