大型環(huán)氧乙烷反應(yīng)器制造要點(diǎn)分析

趙洵，王君良

（1.南京三方化工設(shè)備監(jiān)理有限公司， 江蘇 南京 210000）

（2.貴州大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院， 貴州 貴陽(yáng) 550025）

環(huán)氧乙烷是生產(chǎn)聚酯纖維和樹(shù)脂的重要中間體，常溫常壓下是一種無(wú)色氣體，爆炸極限3%～100%，濃度高時(shí)帶有強(qiáng)烈的刺激性醚臭，劃分為高度危害介質(zhì)[1]。由于容易發(fā)生自爆，所以一般作為中間產(chǎn)品，約65%的環(huán)氧乙烷用于生產(chǎn)乙二醇，同時(shí)還廣泛應(yīng)用于石油化工、醫(yī)藥、紡織和合成材料等諸多領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)的產(chǎn)能尚無(wú)法滿足市場(chǎng)需求，需要大量進(jìn)口。

環(huán)氧乙烷反應(yīng)器是乙烯生產(chǎn)鏈中重要設(shè)備，除作為反應(yīng)的容器外還需兼顧強(qiáng)化傳熱的功能，且要求反應(yīng)器內(nèi)溫度能夠穩(wěn)定地保持在適宜的水平上，列管式反應(yīng)器成為環(huán)氧乙烷反應(yīng)器的首選[2]。這種反應(yīng)器結(jié)構(gòu)傳熱效果好，且反映溫度易控制。但由于該設(shè)備尺寸較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)要求高，并且所盛裝的介質(zhì)具有應(yīng)力腐蝕傾向，極大地增加了大型環(huán)氧乙烷反應(yīng)器的制造難度。隨著裝置處理規(guī)模的不斷增大，所需反應(yīng)器也隨之大型化。而在很長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)國(guó)內(nèi)所采用的大型環(huán)氧乙烷反應(yīng)器均由國(guó)外進(jìn)口，直至2009年經(jīng)過(guò)消化吸收完成了國(guó)內(nèi)首臺(tái)大型環(huán)氧乙烷反應(yīng)器的國(guó)產(chǎn)化?，F(xiàn)將大型環(huán)氧乙烷反應(yīng)器的制造要點(diǎn)進(jìn)行整理和分析。

1 主要結(jié)構(gòu)形式

典型環(huán)氧乙烷反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。物料由圖中管程入口（1）進(jìn)入反應(yīng)器，與填充在換熱管內(nèi)的催化劑發(fā)生氧化反應(yīng)，生產(chǎn)的環(huán)氧乙烷由圖中的管程出口排出（4）。沸水經(jīng)由下環(huán)管進(jìn)入殼程，在反應(yīng)開(kāi)始階段為反應(yīng)提供了熱量，在氧化反應(yīng)開(kāi)始后吸收了反應(yīng)產(chǎn)生的多余熱量，保持反應(yīng)器內(nèi)溫度的穩(wěn)定[3]。

圖1 典型環(huán)氧乙烷反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 制造要點(diǎn)分析

環(huán)氧乙烷反應(yīng)器管板通常需要在管程側(cè)堆焊不銹鋼焊材，為了避免堆焊過(guò)程中受熱不均造成變形，可以調(diào)整堆焊的順序和方向，嚴(yán)格控制堆焊層間溫差、焊前預(yù)熱，并在堆焊前留有適當(dāng)?shù)募庸び嗔?。由于管板管孔?shù)量眾多且對(duì)管孔的精度要求較高，導(dǎo)致管板在加工過(guò)程中控制反變形的難度較大，可采用不同刀具、不同給進(jìn)量和不同轉(zhuǎn)速對(duì)管板堆焊層及基材分層鉆。在提高管板加工成品率方面，應(yīng)注意工裝和管板保留量的選取。換熱管與管板的焊接結(jié)構(gòu)，推薦采用定位脹+焊接+脹接的方式，由于殼體一般較厚，為了保證焊接質(zhì)量，焊接時(shí)應(yīng)采用多道焊[4]。換熱管應(yīng)在焊接前進(jìn)行預(yù)熱，焊后需緩冷，且應(yīng)嚴(yán)格控制焊接接頭的硬度。

大型環(huán)氧乙烷反應(yīng)器由于尺寸超限，陸路整體運(yùn)輸難度較大，根據(jù)反應(yīng)器的大小和運(yùn)輸條件，一般選擇分段運(yùn)輸現(xiàn)場(chǎng)組焊的方式，現(xiàn)場(chǎng)再檢查和耐壓試驗(yàn)后交付使用?，F(xiàn)場(chǎng)組焊對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的要求較高，在制定分段運(yùn)輸前應(yīng)確定現(xiàn)場(chǎng)的基本條件，做好組焊前的準(zhǔn)備工作。首先，現(xiàn)場(chǎng)要預(yù)留有足夠的面積，保證相應(yīng)設(shè)備、到場(chǎng)設(shè)備和焊材等原料有序放置，且能夠滿足吊裝要求；其次，現(xiàn)場(chǎng)地面硬化應(yīng)滿足反應(yīng)器運(yùn)輸、存放及反應(yīng)器水壓或氣壓的試驗(yàn)要求。再次，由于該反應(yīng)器施工時(shí)間較長(zhǎng)，工序復(fù)雜、焊接量大且對(duì)焊接質(zhì)量要求較高，所以現(xiàn)場(chǎng)焊材、焊接設(shè)備、局部熱處理設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備、脹接設(shè)備、加工設(shè)備布置和焊材烘干等必須制定嚴(yán)格的制度。如埋弧自動(dòng)焊焊機(jī)和軌道應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件做好預(yù)選布置，繪制簡(jiǎn)版的平面布置圖。最后，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的公用條件也應(yīng)逐一落實(shí)。若采用水壓試驗(yàn)給水及排水的條件，反應(yīng)器焊接、熱處理等所需的大容量電源等應(yīng)與業(yè)主提前溝通。

現(xiàn)場(chǎng)組焊一般將分段的反應(yīng)器吊裝安放至現(xiàn)場(chǎng)的托輥上，將反應(yīng)器筒體對(duì)正、組對(duì)和檢測(cè)錯(cuò)邊量，在滿足技術(shù)要求后進(jìn)行連接板的焊接。由于大型反應(yīng)器的直徑較大，應(yīng)適當(dāng)增加連接板的數(shù)量。采用SD專利技術(shù)的環(huán)氧乙烷反應(yīng)器一般有兩種：殼程和管程殼體材質(zhì)為SA-302 Gr.C，換熱管材質(zhì)為SA-210 Gr.A-1，管板材質(zhì)為SA-508 Gr.3；殼程和管程殼體材質(zhì)為SA-302 Gr.C，換熱管材質(zhì)為SA-789，管板材質(zhì)為SA-508 Gr.3堆焊309L和308L。采用SHELL技術(shù)的環(huán)氧乙烷反應(yīng)器，殼程殼體材質(zhì)一般為SA-516 Gr.70，管程殼體材質(zhì)一般為SA-516 Gr.70+不銹鋼復(fù)合板，換熱管材質(zhì)一般為SA-210 Gr.A-1，管板材質(zhì)一般為SA-765 Gr[5]?？紤]到材料的可焊性、厚度等特性，母材坡口加工成U型，焊接前應(yīng)對(duì)焊材進(jìn)行烘干、進(jìn)行嚴(yán)格的焊接工藝評(píng)定、焊前均勻預(yù)熱，焊接過(guò)程中嚴(yán)格遵守工藝要求，筒體B類焊縫應(yīng)采用進(jìn)行焊后清根，焊后及時(shí)進(jìn)行消氫熱處理和無(wú)損檢測(cè)。

環(huán)氧乙烷反應(yīng)器換熱管材質(zhì)多為碳鋼，換熱管多達(dá)近萬(wàn)根，到貨的無(wú)縫鋼管表面帶有氧化層，需徹底除銹再穿管。換熱管常用的除銹方法有噴砂、酸洗、拋光片和砂輪等方法，其中半自動(dòng)化的拋光片打磨效率較高且除銹效果較好，適用于穿管前的除銹工序。換熱管的裝配一直是制約環(huán)氧乙烷反應(yīng)器發(fā)展的瓶頸，文獻(xiàn)[5]提供了一種可在管板兩側(cè)同時(shí)穿管的方法，預(yù)先采用分散對(duì)稱定位換熱管，將換熱管以管板中心為基準(zhǔn)按米字型穿管，縮短了穿管周期。

分段運(yùn)輸前，各段殼體已經(jīng)在設(shè)備廠內(nèi)進(jìn)行了消除應(yīng)力熱處理，組焊后應(yīng)對(duì)各環(huán)焊縫進(jìn)行局部消除應(yīng)力熱處理。受現(xiàn)場(chǎng)條件和設(shè)備壁厚的限制，通常采用熱電偶在殼體內(nèi)、外壁同時(shí)加熱，以保證溫度達(dá)到熱處理工藝的要求[6]。在布置熱電偶時(shí)要避免虛接，加熱帶寬度、保溫帶寬度、熱處理溫度和升降溫速率滿足工藝文件的技術(shù)要求?？刹捎秒姶鸥袘?yīng)加熱法對(duì)管板焊接接頭進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，同時(shí)管板焊接接頭還應(yīng)進(jìn)行消氫處理。

在壓力容器制造行業(yè)一直存在“重射線，輕超聲”的現(xiàn)象，隨著無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，TOFD檢測(cè)方法被用于超限設(shè)備檢測(cè)的報(bào)道逐漸增多，工程實(shí)踐表明，TOFD作為可記錄式的超聲檢測(cè)手段，具有高精度、安全性等特點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)超聲檢測(cè)中受缺陷定位、方向和操作者主觀認(rèn)知限制等不足，TOFD檢測(cè)結(jié)果較射線檢測(cè)具有準(zhǔn)確性好、檢出率高和不傷害人身健康的優(yōu)勢(shì)。因此，推薦用于環(huán)氧乙烷反應(yīng)器的組焊環(huán)焊縫的無(wú)損檢測(cè)。

3 小結(jié)

通過(guò)采取上述制造技術(shù)要點(diǎn)，有效避免了環(huán)氧乙烷反應(yīng)器制造過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，提高了設(shè)備質(zhì)量，保障裝置安全、長(zhǎng)期有效運(yùn)行。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，國(guó)產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行良好，不但節(jié)約了項(xiàng)目建設(shè)投資，而且保證了關(guān)鍵設(shè)備的制造安全，體現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)裝備制造行業(yè)的技術(shù)水平。