TDA 氫化反應釜損傷及檢驗技術探討

黃 濤

（四川省宜賓市特種設備監督檢驗所，四川宜賓 644100）

0 引言

近年來，我國化工行業發展迅速，聚氨酯工業也不斷前進，其重要原料TDA（甲苯二胺）需求量迅速增長，與TDA 生產相關的工藝和反應器開發也被關注。TDA 氫化反應釜是以DNT（二硝基甲苯）液相催化加氫反應生產TDA 工藝的關鍵設備，受其工藝參數和復雜介質影響，導致多種材料損傷和設備失效模式的存在，而化工設備的長期運行和超期服役現象較普遍，易產生各種再生缺陷，壓力容器定期檢驗可及時發現設備運行中產生的設備安全隱患，是保障化工工藝連續、設備安全運行的重要環節。

針對近期檢驗的一臺TDA 氫化反應釜定期檢驗方案及其實際檢驗情況開展分析與探討，以尋求對該類設備制定的檢驗方案能基于分析該壓力容器可能的損傷機理和失效模式。在此基礎上制定可行、可靠的檢驗方案，使檢驗做到不濫用檢驗方法、不盲目增加檢驗項目、不遺漏檢驗應檢內容，為設備、穩定、安全地運行提供保證。

1 氫化反應釜設備概況

近期對某化工企業TDA 氫化反應釜開展了定期檢驗，其基本參數如下：容器類別，三類中壓反應容器；設計壓力，2.8 MPa；設計溫度，150 ℃；工作壓力，2.1 MPa；工作溫度，120 ℃；介質，TDA、DNT（DNB）、氫氣、催化劑、水、甲醇、三硝基鄰二甲苯；主要受壓元件材料，16MnR；容器規格，Φ3220 mm×12490 mm；壁厚，筒體48 mm/封頭75 mm；容積，35 m3；設計腐蝕裕度，3.0 mm；已使用年限，10 年。

2 主要損傷及失效模式

氫化反應釜中反應過程是DNT 在一定溫度、壓力下，在催化劑存在條件下連續加氫生成TDA。在氣相（氫氣）、液相、固相（鎳催化劑）三相體系中運行的非均相位化反應，其循環氫純度85%～91%，本臺設備氫分壓最高為2.1×0.91=1.911 MPa，操作溫度為120 ℃。由于工作溫度較低（＜300 ℃），根據API 納爾遜曲線坐標查找，上述使用條件時碳鋼沒有可能發生高溫氫損傷。因此，可以認為該臺設備不存在高溫氫損傷。其反應物及產品中，對設備可能造成的損傷有：①催化劑為粒狀物，與反應中的物料、產品一起形成內含顆粒的漿狀料隨反應流程沖蝕、磨損器壁；②使用中控制不當造成設備超壓；③存在設備大氣腐蝕等損傷、失效模式。

（1）沖蝕、磨損損傷機理：設備物料中催化劑為固態漿狀顆粒料，當顆粒存在棱角尖銳時，就形成如刀具一樣的磨料，在尖端高切應力作用下，即可對金屬表面造成切槽，同時流體與容器壁金屬之間會產生切應力，使新鮮的金屬表面暴露出來，造成快速腐蝕。

（2）超壓損傷機理：物料的流動性或其能量在承壓設備內處于非平衡狀態時，物料和/或能量在容器內發生聚集累加，造成承載壓力超過設備最大允許工作壓力。

（3）大氣腐蝕損傷形態：在碳鋼和低合金鋼遭受腐蝕時主要表現為均勻減薄或局部減薄。

3 檢驗項目、重點檢驗部位及進一步檢驗要求

根據其主要損傷及失效模式，擬開展以下檢驗項目對該壓力容器進行定期檢驗。

3.1 宏觀檢驗

主要采用目視方法（可以利用放大鏡、內窺鏡或其他輔助儀器設備、測量工具），檢驗壓力容器本體結構、幾何尺寸、表面情況（如裂紋、腐蝕、泄漏、變形）和焊縫等。根據本臺設備的損傷模式，重點檢查容器內壁有無劃痕，接觸面有無磨粒駐留，流體通道及改變流體方向及縮小流體通道位置有無腐蝕坑、溝、銳槽、蝕孔和波紋狀形貌。通過宏觀檢驗可以對該壓力容器沖蝕、磨損、大氣腐蝕情況進行檢出和判斷其損傷程度，為進一步采取檢驗手段提供依據。

3.2 超聲測厚

在容器內、外部對容器殼體進行多點隨機測厚檢查。測定后標圖記錄，對異常測厚點做詳細標記，并將實測厚度異常值中最小值處的位置尺寸標注清楚。厚度測點重點為氣液兩相交界部位，物料進口、流動轉向、截面突變等易受腐蝕、沖蝕的部位，在制造成型時可能壁厚減薄部位和使用中易產生變形的部位，接管部位，宏觀檢驗時發現的可疑部位等。通過超聲測厚，對宏觀檢查中發現的該壓力容器沖蝕、磨損、大氣腐蝕部位和容器整體腐蝕、減薄情況進行量化指標，以對其設備承壓強度能否滿足設計、工作參數進行判斷。

3.3 表面缺陷檢測

鑒于該設備主要材料為16MnR，為鐵磁性材料，故對容器對接焊縫內、外表面及熱影響區、人孔及主要接管角焊縫進行MT（磁粉檢測）抽查檢測，且該設備內部有攪拌裝置、盤管，故容器內MT 檢測只能在設備篩板之上部位進行。重點檢驗應力集中部位、變形部位、宏觀檢驗發現裂紋的部位、T 形接頭、其他有懷疑的焊接接頭，補焊區、工卡具焊跡、電弧損傷處和易產生裂紋部位。通過表面缺陷檢測發現由于拘束應力、殘余應力的存在而導致的宏觀裂紋出現。

3.4 埋藏缺陷檢測

對筒體縱、環焊縫位置進行外表面UT（普通超聲檢測）加TOFD（衍射時差法超聲檢測技術）抽檢，同時對宏觀檢驗和表面檢驗時發現的缺陷或異常部位，檢驗人員認為需要補充焊縫埋藏缺陷檢測的、使用過程中補焊過的部位、使用中出現焊接接頭泄漏的部位及其兩端延長部位進行外表面UT 加TOFD檢測。通過埋藏缺陷檢測發現由于制造、焊接環節缺陷存在，未能檢出或其缺陷在腐蝕、應力條件下發展而造成的超標缺陷出現。

3.5 硬度檢測

如發現設備有環境開裂情形的應對開裂部位的焊縫、熱影響區和母材進行硬度測定，并隨機對其他部位進行硬度抽查，對硬度測定值大于200 HB 的部位進行現場金相分析，以判斷其材料劣化程度。

3.6 螺栓檢測

該設備人孔螺栓直徑≥36 mm，故要求將人孔螺栓在逐個清洗后，宏觀檢驗其是否存在損傷和裂紋的情況，發現異常則對其進行MT 檢測。重點檢驗螺紋及過渡部位有無環向裂紋。為判斷其螺栓材料情況，應同時進行螺栓硬度抽查。

3.7 定期檢驗

定期檢驗過程中，根據使用單位意見或檢驗人員根據檢驗情況確定設備安全狀況，如有懷疑時應當進行耐壓試驗。該設備介質中含氫氣，為易燃易爆介質，且設計資料中對氣密試驗有要求，故在宏觀檢查和無損探傷合格后需進行氣密性試驗。根據該設備實際運行情況結合設計資料工作壓力要求，氣密性試驗壓力取2.1 MPa。

4 檢驗情況及結果分析

對本次定期檢驗的情況及發現該壓力容器存在的問題總結、分析如下。

4.1 內、外表面宏觀檢驗

在內表面存在輕微的腐蝕及沖蝕現象（氣相空間和液相空間），設備內表面局部位置存偶有發現較淺的機械接觸損傷和凹坑，主要存在于篩板以下560～1000 mm 部分，對該機械接觸損傷和凹坑部位打磨后測厚與周圍測厚情況對比差異不大（約0.3 mm），可以判斷該部位的腐蝕及溶蝕程度屬于輕微。

4.2 超聲測厚檢測

筒體最小厚度為47.1 mm，封頭最小厚度為72.0 mm，結合最近一次定期檢驗（2018 年），筒體最小厚度為47.5 mm，封頭最小厚度為72.5 mm，按此推算減薄速度，2018—2021 年使用運行中發生了0.5 mm 的最大壁厚減薄，按此計算減薄速度為0.125 mm/a。目前最小厚度封頭72.0 mm、筒體47.1 mm，其減薄均未超過其腐蝕裕量，故不影響定級。

4.3 表面無損檢測

在外表面對筒體、封頭交叉T 形焊縫位置和人孔及主要接管角焊縫進行了磁粉檢測，在筒體、封頭交叉T 形焊縫位置發現1 處表面裂紋缺陷，缺陷長度約7 mm，經打磨（磨深約1.0 mm）后消除并經MT 復檢合格；在人孔接管角焊縫外表面發現1 處表面裂紋缺陷，缺陷長約10 mm，經打磨（磨深約0.5 mm）后消除并經MT 復檢合格。由MT 檢出表面裂紋位置及形貌可知，其裂紋形成主要是在結構不連續處產生的拘束應力和該應力與焊接成形中形成的殘余應力及組織應力疊加，在制造時由于焊接不當等因素而遺留、萌生的微裂紋，微裂紋擴展致宏觀裂紋出現。

4.4 UT 檢測

本臺設備未發現埋藏缺陷相關顯示，TOFD 復檢，由圖譜分析亦未發現埋藏缺陷相關顯示。如發現相關顯示則應明確埋藏缺陷深度、缺陷類別、缺陷長度、缺陷自身高度，并按NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》和TSG 21—2019《固定式壓力容器安全技術監察規程》要求評定其級別并判斷是否影響該壓力容器安全狀況等級評定。

需要注意的是，本臺設備筒體壁厚48 mm、封頭壁厚75 mm，差異較大，其設計、制造時對焊縫位置封頭厚板進行了內削薄處理，故設備外表面是平齊的。在本次設備檢驗時對UT 檢測只進行了單面單側掃查，對TOFD 檢測則考慮不同板厚分別進行了掃查。

5 結束語

通過對TDA 氫化反應釜損傷及檢驗技術探討，指明了檢驗技術應圍繞設備損傷機理予以制定，才能有目的、全面地檢出設備缺陷，確保設備安全運行。

對檢驗過程應注意以下要點：①要把檢驗方案制定放在首位，在對設計、工藝、運行資料認真審查的前提下與使用單位相關人員充分溝通交流，了解待檢設備工藝及使用狀況，分析待檢設備可能的損傷機理及失效模式，然后根據分析結果制定檢驗方案，使檢驗方案更具針對性；②注重宏觀檢驗，應盡量開罐檢驗，對內外表面進行全面的宏觀檢驗，特別是壓力容器殼體外觀檢驗，及時發現新生表面缺陷并處理，避免其發展；③要注意壁厚減薄情況，采取定點測厚的方式監控設備腐蝕減薄速率，保證容器在確定的檢驗周期內不發生因超預案腐蝕減薄而影響整體強度從而導致失效破壞的情況；④對埋藏缺陷的抽查要結合往次檢驗情況開展，通過歷次定期檢驗抽查不同位置焊縫或復查檢驗中曾發現未超標缺陷位置以判斷該埋藏缺陷是否擴展。