超高壓管式反應(yīng)器安全性檢測研究

胡滿江

（國能榆林化工有限公司，陜西榆林 719319）

1 概述

從1913年德國工程師Haber首次發(fā)明出高壓容器開始，世界其他國家也逐漸提高了高壓容器的研究和發(fā)展速度，逐漸將超高壓管式反應(yīng)器推到了工業(yè)生產(chǎn)中。隨著社會科技的進(jìn)步，超高壓技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸增加，在每個不同領(lǐng)域中不斷出現(xiàn)，設(shè)備的安全性和容量也不斷上升。

超高壓容器由最早的單層、多層等結(jié)構(gòu)組成，早期多層容器容易在套合時發(fā)生咬死現(xiàn)象，因此多層超高壓設(shè)備體型較為短小。對于大型體積的超高壓設(shè)備往往采用單層結(jié)構(gòu)，相對材質(zhì)和加工處理難度較高，容易在操作不當(dāng)時產(chǎn)生裂縫，有些設(shè)備在做水壓實(shí)驗(yàn)時就出現(xiàn)裂縫。

超高壓管式反應(yīng)器在石油化工上的應(yīng)用十分廣泛，也是石油化工生產(chǎn)上的核心設(shè)備之一，從工業(yè)生產(chǎn)開始以來，超高壓管式反應(yīng)器給工業(yè)生產(chǎn)帶來了極大的效益，但同時也伴隨著高風(fēng)險(xiǎn)，超高壓管式反應(yīng)器內(nèi)部的物料往往易燃易爆，在設(shè)備使用期間還會受到溫度、開工、停工循環(huán)的影響。內(nèi)部和外部的因素不論單獨(dú)還是共同發(fā)揮作用，都會影響超高壓管式反應(yīng)器的材料損傷，反應(yīng)器的強(qiáng)度降低容易引發(fā)裂紋甚至事故。一旦發(fā)生裂紋出現(xiàn)泄漏，則給國家和企業(yè)帶來的損失巨大，且容易造成環(huán)境污染，影響周圍居民的正常生活，因此，檢測技術(shù)的高效、可靠性對快速查找到缺陷問題，并結(jié)合檢測數(shù)據(jù)分析和評定，快速定期排查超高壓管式反應(yīng)器的缺陷，能夠確保其安全、高效地運(yùn)行。為了確保工廠作業(yè)環(huán)境的安全，必須定期對反應(yīng)器進(jìn)行檢測，對缺陷、裂紋等安全隱患進(jìn)行及時消除，并定期評定設(shè)備的安全情況。

以國能榆林化工聚乙烯裝置的超高壓管式反應(yīng)器展開介紹，包含預(yù)熱器、反應(yīng)器（其中反應(yīng)器分4個區(qū)）、后冷器三部分，由德國伍德公司生產(chǎn)制造。國能榆林化工超高壓管式反應(yīng)器為套管式結(jié)構(gòu)，規(guī)格型號為DN75，PN3600，內(nèi)管承壓為工藝介質(zhì)反應(yīng)的場所，夾套通入熱水撤走反應(yīng)放出的熱量，單管長度17m，整個反應(yīng)器固定在鋼結(jié)構(gòu)支架上。超高壓管式反應(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高溫高壓的工藝特點(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日一次性投料試車成功，開車至今運(yùn)行超過5年，反應(yīng)器運(yùn)行狀態(tài)良好，未出現(xiàn)泄漏、爆炸等生產(chǎn)事故。

2 超高壓管式反應(yīng)器安全性檢測現(xiàn)狀

目前國外超高壓管式反應(yīng)器安全性檢測技術(shù)較為成熟，尤其是德國伍德公司、德國巴斯夫公司。超高壓管式反應(yīng)器檢測安全性檢測也是近10年才提出的概念，德國巴塞爾公司于1954年首次實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)第一套LDPE裝置工業(yè)化生產(chǎn)，在近半個世紀(jì)的生產(chǎn)過程中，超高壓管式反應(yīng)器安全性檢測技術(shù)沒有突破。專利設(shè)備廠家的資質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)均大于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)于超高壓管式反應(yīng)器壽命及安全性檢測，專利商及專利設(shè)備廠家給的答復(fù)均是超過20年，大于常規(guī)化工裝置設(shè)計(jì)壽命，無需檢測及評價。隨著裝置運(yùn)行，全球范圍內(nèi)超高壓管式反應(yīng)器由于使用維護(hù)不當(dāng)或者過度使用，出現(xiàn)多次事故，全球范圍內(nèi)越來越多的用戶開始對于超高壓管式反應(yīng)器的安全性檢測予以重視，德國巴斯夫公司于2006年研發(fā)提出旋轉(zhuǎn)渦流檢測評價超高壓管式反應(yīng)器，并在國外取得非常好的評價。

國內(nèi)超高壓管式反應(yīng)器安全性檢測，至今仍然停留在理論階段，目前各省特檢院、檢測機(jī)構(gòu)均沒有非常有效的檢測手段，均停留在同類裝置專業(yè)技術(shù)人員運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)交流階段，對于超高壓管式反應(yīng)器安全性檢測沒有任何標(biāo)準(zhǔn)，更為突顯出在這一時期對超高壓管式反應(yīng)器安全性檢測的必要性和重要性。

對于超高壓管式反應(yīng)器安全狀況的檢測，尤其是現(xiàn)在安全生產(chǎn)形勢嚴(yán)峻的情況下，保證超高壓管式反應(yīng)器長周期穩(wěn)定運(yùn)行、避免反應(yīng)器備件過度更換、避免反應(yīng)器突然失效是一個亟待解決的課題。急需一種科學(xué)的檢測手段，可以定量且直觀地評價超高壓反應(yīng)器的安全狀況及運(yùn)行狀態(tài)。

3 超高壓管式反應(yīng)器安全性檢測

3.1 渦流檢測

超高壓管式反應(yīng)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，渦流檢測可以從管內(nèi)側(cè)實(shí)施檢測，能有效檢測高壓夾套管內(nèi)表面軸向裂紋和腐蝕缺陷。渦流檢測技術(shù)搭建在電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上，屬于無損檢測方法中的一種。其原理是在檢測線圈上接通交流電，出現(xiàn)交變磁場，線圈接近工件的同時，工件表面可以感應(yīng)渦流，抵消部分原磁場，導(dǎo)致檢測線圈電阻和電感出現(xiàn)變化，借助檢測線圈測定渦電流的變化量，從而獲得工件缺陷的有關(guān)信息。如果渦流檢測中，金屬工件出現(xiàn)故障，渦流磁場的數(shù)值則會發(fā)生變化，導(dǎo)致線圈發(fā)生變化，并通過測出的傳導(dǎo)率、滲透性和相位等特征參數(shù)來發(fā)現(xiàn)缺陷，因此通過渦流檢測可以了解是否存在缺陷。

對超高壓管式反應(yīng)器使用渦流檢測，很容易檢測出其表面缺陷，因?yàn)槌邏汗苁椒磻?yīng)器往往使用鐵磁性材料，這一材料的導(dǎo)磁率是隨著磁場的變化而變化的，在檢查線圈的作用時，能夠?qū)⒆杩乖鰪?qiáng)，鐵磁性材料的應(yīng)用環(huán)境不一致會影響阻抗的值。當(dāng)檢測探頭從缺陷表面掃過時，在渦流檢測設(shè)備的顯示屏幕上，會出現(xiàn)缺陷的阻抗平面圖，在阻抗平面圖可以得到缺陷的相位角和幅值兩個參數(shù)，通過與試樣的參數(shù)進(jìn)行比較，就可以得出缺陷深度、大小等信息。

通過本次檢測實(shí)際檢測4根超高壓反應(yīng)管，檢測范圍為列管全長U型管段除外、端部盲區(qū)30mm除外。檢測設(shè)備使用EEC-35RFT雙頻遠(yuǎn)場渦流檢測儀，使用了最先進(jìn)的FPGA數(shù)字電子技術(shù)、遠(yuǎn)場渦流技術(shù)及微處理機(jī)技術(shù)，多通道實(shí)時檢測技術(shù)，能實(shí)時有效地檢測鐵磁性金屬管道的內(nèi)、外壁缺陷。檢測時不受探頭提離、趨膚效應(yīng)、電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率不均等的影響，擁有多個相對獨(dú)立的檢測通道，頻率范圍較寬，5Hz至5MHz可調(diào)，多個混頻單元，能抑制在檢測中由支撐板、凹痕、沉積物等引起的干擾信號，去偽存真，提高對渦流檢測信號的評價精度。

通過對被測反應(yīng)管的內(nèi)表面進(jìn)行渦流檢測，尤其是對反應(yīng)劇烈段進(jìn)行檢測，管段表面未發(fā)現(xiàn)缺陷，檢測結(jié)果如表1所示。

表1 檢測結(jié)果

3.2 工業(yè)內(nèi)窺鏡檢查

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，各個行業(yè)對數(shù)據(jù)可信度和準(zhǔn)確度有了更高的要求，因此測量技術(shù)也在飛速發(fā)展。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)與生產(chǎn)實(shí)踐的過程中，為了獲取表征被研究對象的特征定量信息，必須準(zhǔn)確地進(jìn)行測量。工業(yè)內(nèi)窺鏡主要是針對工業(yè)檢測、維修推出的無損檢測工具，通過視頻攝像頭電子顯示的方式檢測肉眼無法直接觀測的地方，可對被檢測對象的內(nèi)部缺陷進(jìn)行視覺定性檢查和定量測量等檢測工作，可以捕捉到清晰明亮的圖像，能實(shí)時對需要檢查的部位進(jìn)行視頻檢查，能實(shí)時記錄工作現(xiàn)場圖像、視頻，并能以數(shù)據(jù)庫形式存儲，能實(shí)時對所采集的視頻信息進(jìn)行圖像、音頻分析，能實(shí)時近距離網(wǎng)內(nèi)無線傳輸工作現(xiàn)場圖像、語音信息，擁有超強(qiáng)的性能與絕對的便攜性，并融合了最新的計(jì)算機(jī)數(shù)字存儲處理技術(shù)，成為檢測領(lǐng)域解決質(zhì)量及安全問題不可缺少的重要工具。

超高壓管式反應(yīng)器內(nèi)部通過的介質(zhì)流為高溫高壓，對材質(zhì)要求極高，普通材料無法承受，并且在生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)緊急泄壓等非正常工況，導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)部應(yīng)力變化較大，拆卸反應(yīng)器密封法蘭后，可以在近管口位置看到內(nèi)管發(fā)出金屬光澤，通過內(nèi)窺鏡輔助觀察，所檢管束內(nèi)壁有介質(zhì)流體蝕痕，未見線性缺陷和較深圓形缺陷。

3.3 超聲相控陣檢測

超聲相控陣檢測是利用延遲電路的電子技術(shù)來控制相控陣探頭合成來實(shí)現(xiàn)超聲波發(fā)射、接收的方法。相控陣探頭有多個小晶片，每個晶片被獨(dú)立地激發(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間，以實(shí)現(xiàn)聲束的角度和聚焦點(diǎn)的變化。

超聲相控陣是超聲探頭晶片的組合，由多個壓電晶片按一定的規(guī)律分布排列，然后逐次按預(yù)先規(guī)定的延遲時間激發(fā)各個晶片，所有晶片發(fā)射的超聲波形成一個整體波陣面，能有效地控制發(fā)射超聲束（波陣面）的形狀和方向，能實(shí)現(xiàn)超聲波的波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦。它為確定不連續(xù)性的形狀、大小和方向提供出比單個或多個探頭系統(tǒng)更大的能力。超聲相控陣檢測技術(shù)使用不同形狀的多陣元換能器產(chǎn)生和接收超聲波束，通過控制換能器陣列中各陣元發(fā)射（或接收）脈沖的不同延遲時間，改變聲波到達(dá)（或來自）物體內(nèi)某點(diǎn)時的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)和聲束方向的變化，從而實(shí)現(xiàn)超聲波的波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦，然后采用機(jī)械掃描和電子掃描相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)圖像成像。

3.4 聲發(fā)射檢測

聲發(fā)射檢測是通過接收和分析材料的聲發(fā)射信號來評定材料性能或結(jié)構(gòu)完整性的無損檢測方法，材料中因裂縫擴(kuò)展、塑性變形或相變等引起應(yīng)變能快速釋放而產(chǎn)生的應(yīng)力波現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用已較為廣泛，可以用聲發(fā)射鑒定不同變形的類型，研究斷裂過程并區(qū)分?jǐn)嗔逊绞剑瑱z測出小于 0.01mm長的裂紋擴(kuò)展，研究應(yīng)力腐蝕斷裂和氫脆，評價表面化學(xué)熱處理滲層的脆性，以及監(jiān)視焊后裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展等。在工業(yè)生產(chǎn)中，聲發(fā)射技術(shù)已用于壓力容器、鍋爐、管道和火箭發(fā)動機(jī)殼體等大型構(gòu)件的水壓檢驗(yàn)，評定缺陷的危險(xiǎn)性等級，做出實(shí)時報(bào)警。在生產(chǎn)過程中，用聲發(fā)射技術(shù)可以連續(xù)監(jiān)視高壓容器、核反應(yīng)堆容器和海底采油裝置等構(gòu)件的完整性。固體材料往往容易出現(xiàn)聲發(fā)射信號，以及在材料加工處理過程中會引發(fā)內(nèi)應(yīng)力變化，包括錯位運(yùn)動、裂紋，甚至斷裂、外加負(fù)荷變化等問題，隨著人們對觀察到的聲發(fā)射信號做出分析與推斷，逐步加深了聲發(fā)射檢測技術(shù)的原理，如圖1所示。

圖1 聲發(fā)射檢測原理

聲發(fā)射檢測適用于實(shí)時動態(tài)監(jiān)控檢測，且只顯示和記錄擴(kuò)展的缺陷，這意味著與缺陷尺寸無關(guān)，而是顯示正在擴(kuò)展的最危險(xiǎn)缺陷。被檢測超高壓管式反應(yīng)器在未受載的情況下，不能有效檢測出缺陷情況，需要人為加載或者在線監(jiān)測。

4 結(jié)束語

合適的檢測方法對超高壓管式反應(yīng)器可以做出較為科學(xué)的評價，為了更加準(zhǔn)確地判斷反應(yīng)器的真實(shí)狀況，還可以借助其他檢測方法進(jìn)行輔助。超高壓管式反應(yīng)器在高溫高壓狀態(tài)下長期運(yùn)行后，沿高壓管和彎頭軸向容易出現(xiàn)疲勞裂紋，尤其發(fā)生嚴(yán)重分解反應(yīng)后，反應(yīng)管局部出現(xiàn)短時間高溫高壓沖擊，對反應(yīng)管的破壞加劇，管道內(nèi)表面硬化層深度達(dá)幾毫米，裂紋可能出現(xiàn)在硬化層上。

通過渦流檢測對超高壓管式反應(yīng)器的表面進(jìn)行檢測獲得數(shù)據(jù)，加上工業(yè)內(nèi)窺鏡的輔助檢查，能夠了解反應(yīng)器的表面缺陷，并得到參數(shù)分析，評估反應(yīng)器的使用狀況。如果有條件，還可以將聲發(fā)射檢測用于超高壓管式反應(yīng)器的監(jiān)測，更加客觀真實(shí)地反映超高壓管式反應(yīng)器的運(yùn)行情況。結(jié)合其他檢測方法，提升檢測結(jié)果的可靠性，確保檢測的高效和安全，為超高壓管式反應(yīng)器的運(yùn)行維護(hù)提供具有指導(dǎo)意義的參考 數(shù)據(jù)。