聚偏氯乙烯聚合釜損傷及檢驗技術(shù)探討

楊雄，洪若云，徐群建，劉徐鑫

（浙江巨化清安檢測科技有限公司，浙江 衢州 324004）

化工壓力容器使用過程中，常常出現(xiàn)由于工藝參數(shù)和介質(zhì)的復(fù)雜性、材料損壞和各種故障模式、超長時間運行和超設(shè)計使用年限服役而造成的各種再生缺陷。通過對壓力容器的定期檢查，可以及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，為設(shè)備的安全運行和技術(shù)革新提供有效保障。

進入本世紀(jì)以來，對重要原料聚偏氯乙烯（PVDC）的需求在快速增長，與PVDC 生產(chǎn)相關(guān)的工藝和反應(yīng)器的開發(fā)也引起了關(guān)注。PVDC聚合裝置是以偏氯乙烯（VDC）為主體共聚生產(chǎn)PVDC的關(guān)鍵設(shè)備。對最近檢查的3臺PVDC聚合反應(yīng)器的定期檢查方案和其中1臺的實際檢查情況進行分析和討論。這類設(shè)備檢驗方案的制定可以基于對壓力容器可能的損傷機理、損傷形態(tài)、主要影響因素、檢測和監(jiān)測方法、敏感材料和相關(guān)或伴隨的其他損傷進行。在此基礎(chǔ)上，為保證設(shè)備的穩(wěn)定安全運行，不應(yīng)濫用檢查方法，盲目增加檢查項目，遺漏檢查內(nèi)容的方案是非常必要的。

1 PVDC聚合釜基本參數(shù)

某化工企業(yè)的PVDC 聚合釜進行了定期檢驗。該聚合釜為二類低壓反應(yīng)容器，已使用15 年，其基本參數(shù)、材料分別如表1和表2所示。

表1 聚合釜基本參數(shù)Tab 1 Basic parameters of the polymerization kettle

表2 聚合釜的材料Tab 2 Materials of polymerization kettle

2 主要破壞和失效機理

PVDC聚合釜內(nèi)的反應(yīng)過程是在一定的溫度和壓力下，單體懸浮在聚合釜內(nèi)的微滴分散中，催化劑存在，啟動攪拌器，然后依次向聚合釜中加入分散劑、引發(fā)劑溶液等助劑，生成PVDC。在運行于氣相、液相和固相三相體系的非均相反應(yīng)中，PVDC分子不僅結(jié)晶度高，而且氯原子之間有很強的結(jié)合力還具有疏水性，不存在氫鍵形成的可能性；PVDC分子中的水分子和氧分子基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，其突出的耐濕性和耐氧性的原因正是如此。外界濕度也不影響其抗氧性。因此，可以認(rèn)為設(shè)備不存在高溫氫損傷[1]。

在反應(yīng)物和產(chǎn)物中，可能對設(shè)備造成損壞：1）催化劑呈顆粒狀，在反應(yīng)過程中與物料和產(chǎn)物一起形成含顆粒的漿液，腐蝕磨損壁面；2）由于大氣腐蝕，設(shè)備內(nèi)部會發(fā)生腐蝕等現(xiàn)象；3）使用中控制不當(dāng)，造成設(shè)備超壓、超溫。

損傷機理：

1）沖蝕磨損損傷。固體、液體、氣體或其任意之間組合發(fā)生沖擊或相對運動，造成材料表面層機械剝奪加速的過程。

2）大氣腐蝕損傷。局部腐蝕或均勻腐蝕是低合金鋼和碳鋼在腐蝕作用下的基本表現(xiàn)[2]。

3）超壓損傷。當(dāng)承壓設(shè)備中物料的流動性或其能量不平衡時，物料或能量會在容器中積聚，導(dǎo)致承壓超過設(shè)備的最大允許工作壓力，造成變形、泄漏和鼓包。

4）超溫?fù)p傷。超溫會造成晶粒長大、滲碳等材質(zhì)劣化。

3 檢驗要點及項目

3.1 檢驗要點

檢查過程中需要注意的是：1）要制定檢查計劃。在認(rèn)真審查設(shè)計、安裝、制造、改造和修理的前提下，利用資料審查與使用單位相關(guān)人員溝通，了解被測設(shè)備運行中出現(xiàn)異常情況的記錄、工藝流程和使用狀態(tài)。根據(jù)待測設(shè)備的故障模式和損傷機理，在分析判斷結(jié)論的基礎(chǔ)上支持設(shè)計試驗計劃，使檢查計劃更有針對性；2）安全閥是否在校驗有效期內(nèi)和爆破片是否按期更換。3）注意宏觀檢查，應(yīng)盡量打開罐檢查，對內(nèi)外表面進行全面的宏觀檢查。4）通過定點測厚監(jiān)測設(shè)備的腐蝕減薄率監(jiān)測壁厚減薄程度，確保在規(guī)定的檢驗周期內(nèi)，容器整體強度不會因腐蝕減薄而受到影響；5）對埋地缺陷的抽查應(yīng)與前次檢查相結(jié)合。埋藏缺陷是否擴大，可通過對不同部位焊縫的定期檢查和抽查，或?qū)Πl(fā)現(xiàn)的未超標(biāo)缺陷進行復(fù)檢來判斷[3]。

3.2 檢驗項目

1）宏觀檢驗。基于內(nèi)窺鏡、放大鏡等工具或設(shè)備的視覺方法被廣泛應(yīng)用。壓力容器的變形、泄漏、鼓包、腐蝕、裂紋等表面狀況，以及焊縫、幾何尺寸、本體結(jié)構(gòu)等均在其檢查范圍之內(nèi)。根據(jù)該設(shè)備的損壞方式，重點檢查容器內(nèi)壁是否有劃痕，接觸面是否有磨料顆粒滯留，流體通道位置是否有腐蝕坑、溝槽、尖槽、腐蝕孔和波紋，改變流體方向，減少流體通道。通過宏觀檢查，可以檢測壓力容器的沖蝕、磨損和大氣腐蝕，判斷損壞程度。

2）超聲測厚。在容器內(nèi)外多點隨機檢查容器殼體的厚度，測量位置應(yīng)具有代表性。繪圖記錄（測量結(jié)束時），具體標(biāo)記好異常測厚點。接管處，易變形處（使用環(huán)節(jié)），可能壁厚減薄（制造成型階段）處，測厚點主要集中在氣液兩相界面、易被沖刷腐蝕的地方（截面突變、流動轉(zhuǎn)折、物料入口等）、可疑部位（宏觀檢查過程中）等。母材如果已經(jīng)出現(xiàn)分層缺陷，測點必須增加，當(dāng)然也可以基于超聲檢測將分層分布狀態(tài)、傾斜度（母材表面）查清，作圖記錄同步完成。超聲波測厚對壓力容器的腐蝕減薄情況進行量化，減薄超過腐蝕裕量的需要進行強度校核。

3）表面缺陷檢測。PVDC 聚合釜外表面材料為鐵磁性材料，故優(yōu)先采用磁粉檢測對對接焊縫、應(yīng)力集中部位、T形接頭及主要接管角焊縫進行抽查檢測。且該設(shè)備內(nèi)部有攪拌裝置、盤管，故變形處、應(yīng)力集中處、裂紋部位（基于宏觀檢驗）、T 形接頭等，裂紋易出現(xiàn)部位、電弧損傷部位、工卡具焊跡和補焊區(qū)均為容器內(nèi)表面PT 檢驗的重點部位[4]。

4）埋藏缺陷檢測。UT 檢測環(huán)焊縫、筒體縱外表面，異常或缺陷部位（基于表面檢驗、宏觀檢驗證實），存在補焊焊縫潛在缺陷且修復(fù)的部分包括需要檢查的部分（使用中）、焊縫泄漏和兩端伸出部分（使用中）。錯邊量和棱角度超過產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求的部位，使用單位要求或檢驗人員認(rèn)為有必要的部位[5]。

5）螺栓檢驗。人孔螺栓的直徑不小于36 mm。逐個清洗人孔螺栓后，有必要對損壞和裂紋進行宏觀檢查。如果發(fā)現(xiàn)螺栓異常，將進行無損檢測。重點檢查螺紋和過渡部位是否有環(huán)向裂紋[5]。

6）定期檢驗。檢驗人員或使用單位提供的裝置安全情況（基于檢驗結(jié)果）為定期檢驗進行與否的主要參考依據(jù)，耐壓試驗在前述狀態(tài)不確定條件下介入使用。該設(shè)備介質(zhì)中含VDC 單體，為易燃易爆介質(zhì)，根據(jù)該設(shè)備實際運行情況允許（監(jiān)控）使用壓力，泄漏試驗壓力為1.2 MPa。是否定期更換爆破片、裝置安全閥有沒有超過規(guī)定的檢驗有效期也是檢驗對象。

4 結(jié)果及分析

4.1 宏觀檢驗

內(nèi)表面（氣相空間和液相空間）有輕微的腐蝕和侵蝕現(xiàn)象。設(shè)備內(nèi)表面襯里層上封頭正西側(cè)的環(huán)縫區(qū)（20 mm×3 mm）破損，如圖1所示。

圖1 不銹鋼襯里層破損Fig 1 Damage of stainless steel lining

由有資質(zhì)的單位維修，經(jīng)PT 復(fù)檢合格。襯里層的破壞主要是結(jié)構(gòu)不連續(xù)產(chǎn)生的約束應(yīng)力和焊接時形成的應(yīng)力和殘余應(yīng)力以及組織應(yīng)力的疊加造成的，在使用過程中，由于氯化物應(yīng)力腐蝕等因素，故留下宏觀裂紋并萌發(fā)。顆粒料漿隨著反應(yīng)過程的沖刷、磨損使壁面宏觀裂縫擴大，襯里層損壞。

4.2 超聲測厚檢測

筒體最小厚度為19.2 mm，封頭最小厚度為18.6 mm。結(jié)合上次定期檢查（2019 年），筒體最小厚度為19.2 mm，封頭最小厚度為19.8 mm。在此基礎(chǔ)上，計算了減薄速度。2019－2022 年最大壁厚減薄1.2 mm，減薄速度計算為0.4 mm/a。封頭腐蝕減薄超過腐蝕裕度，需要強度校核，強度校核計算厚度13.085 mm，安全狀況等級定3 級，縮短檢驗周期，檢驗時間定2年。

4.3 表面缺陷檢測

對容器外表面上部筒體“T”字口處環(huán)縫半圈，縱縫1.5 m以及人孔和主接管的角焊縫進行了磁粉探傷，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)缺陷。

對容器內(nèi)表面滲透檢測，在上封頭西側(cè)發(fā)現(xiàn)多條內(nèi)表面裂紋（Lmax=10 mm）缺陷，如圖2所示。

圖2 不銹鋼襯里層裂紋Fig 2 Crack of the stainless steel lining layer

由有資質(zhì)的單位維修，經(jīng)PT復(fù)檢合格。從PT檢測到的表面裂紋位置和形貌來看，裂紋主要是由結(jié)構(gòu)不連續(xù)性產(chǎn)生的約束應(yīng)力、焊接過程中形成的殘余應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力疊加而成，以及使用過程中氯化物應(yīng)力腐蝕等因素留下并產(chǎn)生的宏觀裂紋。

4.4 UT檢測

該設(shè)備非首檢設(shè)備，且上次定檢未發(fā)現(xiàn)埋藏缺陷，故本次不進行埋藏缺陷檢測。

5 結(jié)束語

通過分析PVDC聚合釜的傷損模式主要有內(nèi)表面（不銹鋼）被顆粒料沖刷導(dǎo)致腐蝕減薄，內(nèi)表面（不銹鋼）氯乙烯產(chǎn)生氯化物導(dǎo)致氯化物應(yīng)力腐蝕開裂，由于該反應(yīng)釜是由復(fù)合板制造而成，需進入釜內(nèi)進行壁厚測厚和滲透檢測，從而有效地檢測出腐蝕減薄和內(nèi)表面裂紋。避免了采用磁粉和超聲在反應(yīng)釜外表面（碳鋼）進行無效檢測，取得了相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟效益和社會效益，保障了生產(chǎn)的安全性。