某汽提塔存料罐內(nèi)表面聚四氟乙烯襯里失效原因分析

王紅源* 胡利晨 盧 鑫 金 偉 張子健 胡煒煒 陳幸凱

（1.寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 2.寧波市勞動安全技術(shù)服務(wù)有限公司）

0 引言

聚四氟乙烯（PTFE）是一種常用的壓力容器襯里，具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，可以耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化劑腐蝕，也是壓力容器常用的防腐蝕內(nèi)襯。但經(jīng)過長期運(yùn)行后，聚四氟乙烯襯里會產(chǎn)生各種各樣的失效模式，例如內(nèi)癟、鼓泡、開裂、滲透等，這些失效情況都會嚴(yán)重威脅壓力容器的安全運(yùn)行，因此TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》專門設(shè)置了針對非金屬襯里的檢驗(yàn)方法和安全狀況等級評定。本文通過對一臺內(nèi)表面聚四氟乙烯襯里失效的汽提塔存料罐進(jìn)行分析，歸納總結(jié)了失效原因，可為今后檢驗(yàn)人員處理類似非金屬襯里的壓力容器提供參考。

1 汽提塔存料罐基本概況

2019年12月，對某大型化工企業(yè)一臺氯乙烯（VCM）汽提塔存料罐進(jìn)行了定期檢驗(yàn)，其基本情況詳見表1。查閱該設(shè)備上個周期的定期檢驗(yàn)報(bào)告后可知，設(shè)備未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

表1 設(shè)備主要參數(shù)

2 檢驗(yàn)過程與缺陷情況

本次檢驗(yàn)根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)、實(shí)際使用情況、損傷模式及失效模式，依據(jù)TSG 21—2016標(biāo)準(zhǔn)制定檢驗(yàn)方案，通過人孔處進(jìn)行宏觀檢查后發(fā)現(xiàn)，內(nèi)表面環(huán)焊縫襯里聚四氟乙烯破損、脫落，如圖1所示。針對發(fā)現(xiàn)的問題，對使用單位進(jìn)行了反饋及技術(shù)交流，與相關(guān)人員進(jìn)一步確定該臺設(shè)備的損傷情況，為了方便檢驗(yàn)和事后返廠修理，將該設(shè)備吊裝到平整空地上。企業(yè)也確定需將襯里更換，隨后檢驗(yàn)人員穿軟鞋進(jìn)入罐內(nèi)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)下封頭處有大鼓包，包內(nèi)有大量白色固狀的介質(zhì)滲透到了筒體受襯面，如圖2所示。上封頭接管處內(nèi)襯存在分離及鼓包，如圖3所示；周邊還發(fā)現(xiàn)多處內(nèi)壁襯里鼓包，如圖4所示。雖然VCM氯乙烯單體無明顯腐蝕性，本次檢驗(yàn)還是對內(nèi)壁筒體腐蝕情況進(jìn)行了檢驗(yàn)，在將襯里去除后，對內(nèi)表面發(fā)生介質(zhì)泄漏出的筒體環(huán)縱縫及母材進(jìn)行了表面檢測和宏觀檢查，如圖5和圖6所示，內(nèi)表面存在多處點(diǎn)腐蝕，表面粗糙，焊縫處還存在斷續(xù)未焊透及未熔合等缺陷，壁厚測定筒體壁厚最小為11.7 mm，襯里厚度最小為2.6 mm，未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕情況。經(jīng)超聲檢測（UT）和外表面檢測未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷及明顯異常，也未發(fā)現(xiàn)泄漏痕跡。

圖1 PTFE破損、脫落

圖2 介質(zhì)滲透圖

圖3 PTFE鼓包

圖4 PTFE分離

圖5 母材內(nèi)表面

圖6 母材內(nèi)表面點(diǎn)蝕

3 缺陷產(chǎn)生的原因分析

3.1 設(shè)計(jì)缺陷解析

查閱該設(shè)備的質(zhì)量證明書可知，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為HG 20536—1996《聚四氟乙烯襯里設(shè)備》，但標(biāo)準(zhǔn)號存在錯誤，應(yīng)為HG 20536—1993《聚四氟乙烯襯里設(shè)備》，該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了適用范圍：設(shè)計(jì)壓力為≤0.6 MPa，與該設(shè)備實(shí)際設(shè)計(jì)壓力1.37 MPa不符，故該設(shè)備設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有誤。隨后查閱TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、GB/T 26501—2011《氟塑料襯里壓力容器通用技術(shù)條件》和HG/T 4088—2009《塑料襯里設(shè)備 通用技術(shù)條件》，HG/T 4088—2009標(biāo)準(zhǔn)于2009年7月1號實(shí)施，規(guī)定了公稱直徑和襯里材料選擇的最小襯里厚度，該設(shè)備聚四氟乙烯襯里最小厚度為3.5 mm,而該設(shè)備設(shè)計(jì)日期為2009年11月，實(shí)際襯里厚度為3 mm，不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。TSG 21—2016標(biāo)準(zhǔn)要求筒體上應(yīng)當(dāng)設(shè)置泄漏信號指示孔。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求襯里設(shè)備殼體上，每節(jié)應(yīng)軸向?qū)ΨQ均布2～4個直徑為中2～3 mm的排氣檢漏孔。實(shí)際檢驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)泄漏信號指示孔，因此未及時發(fā)現(xiàn)該設(shè)備的襯里損壞，導(dǎo)致介質(zhì)泄漏。

3.2 失效原因分析

該設(shè)備如圖1所示，襯里聚四氟乙烯破損，脫落發(fā)生在環(huán)縫上，該環(huán)縫的連接形式為熱壓搭接，搭接寬度為15 mm,不滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中不小于20 mm的要求，導(dǎo)致了搭接處結(jié)合能力不足，抗拉強(qiáng)度低，襯里分離，密封失效。液態(tài)VCM氯乙烯單體通過破損處進(jìn)入襯里與筒體縫隙，在下封頭聚集固化為如圖2所示的白色固態(tài)狀物質(zhì)。在襯里清除過程中，整個下筒體部分分散存在該白色固態(tài)狀物質(zhì)，說明整個襯里與筒體分離嚴(yán)重。

圖3中上封頭接管處襯里均發(fā)生了分離、脫落成鼓包，該鼓包處未滲入介質(zhì)。上封頭襯里環(huán)縫采用了焊接的方法，也發(fā)生了損傷，主要原因是該焊接方法可靠性低，穩(wěn)定性差，抗拉強(qiáng)度也降低，密封失效，介質(zhì)滲入了襯里面，固化形成鼓包。

圖4中上筒體襯里也形成了多個鼓包，襯里可能發(fā)生了細(xì)微破損，或者襯里材質(zhì)質(zhì)量、厚度不符合要求等原因，介質(zhì)同樣滲入了襯里，也有可能是在生產(chǎn)過程中，停車放料時，沒有打開進(jìn)氣閥或進(jìn)氣量小于放料量，內(nèi)部介質(zhì)產(chǎn)生負(fù)壓，襯里就會被吸扁(鼓包、內(nèi)癟)[1]。

去除襯里后，圖5、圖6中設(shè)備內(nèi)表面存在多處點(diǎn)腐蝕，表面粗糙，不夠光滑，焊縫處還存在斷續(xù)未焊透及未熔合等缺陷，這些原因也導(dǎo)致襯里與筒體的結(jié)合能力不強(qiáng)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定受襯面上所有焊縫應(yīng)為連續(xù)焊，且必須采用對接焊縫，不得采用間斷焊、點(diǎn)焊和其他非連續(xù)焊。焊縫不得有氣孔、咬邊、裂紋以及任何其它形式的表面孔洞及未焊透等缺陷，設(shè)備受襯面的焊渣、飛濺物等類似雜物應(yīng)予以徹底清除。

3.3 小結(jié)

本次聚四氟乙烯襯里損傷及失效的原因，主要是設(shè)計(jì)、制造時沒有嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，存在多處不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，導(dǎo)致襯里本身壁厚剛度不夠，接頭強(qiáng)度不足，貼合不緊密，實(shí)際使用過程中也可能存在操作不規(guī)范等情況，加速了襯里損傷，導(dǎo)致介質(zhì)滲入受襯處。同時企業(yè)年度檢查也沒有針對襯里進(jìn)行檢查，筒體也未開設(shè)泄漏信號指示孔，導(dǎo)致直到本次定期檢驗(yàn)時才發(fā)現(xiàn)襯里失效。

4 缺陷處理

由于襯里損傷嚴(yán)重，無法修復(fù)，因此需要更換襯里，在更換襯里前應(yīng)進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。由于該設(shè)備壓力比較高，使用要求相對嚴(yán)格，本次襯里更換優(yōu)先選擇采用聚四氟乙烯襯里金屬網(wǎng)成型技術(shù)，或者是聚四氟乙烯襯里復(fù)合成型技術(shù)[2]。

普通松襯形式熱膨脹系數(shù)較大，約為鋼鐵的13倍[3]，當(dāng)使用溫度反復(fù)變化時，襯件會被多次拉伸或收縮，造成鼓包、內(nèi)癟甚至疲勞開裂，當(dāng)使用過程中，由于泵抽液體物料時，內(nèi)襯易被吸癟，也可能由于應(yīng)力差異引起翻邊斷裂、滲漏、腐蝕等情況[3]。

對于設(shè)計(jì)條件較苛刻的設(shè)備，可以采用聚四氟乙烯襯里金屬網(wǎng)成型技術(shù)，該技術(shù)是利用襯層中金屬網(wǎng)格分散襯里的熱應(yīng)力，使其熱脹冷縮量與鋼殼體相當(dāng)，較好地解決了熱脹冷縮及結(jié)合強(qiáng)度的問題。也可采用緊襯技術(shù)，主要有聚四氟乙烯襯里復(fù)合成型技術(shù)，采用奈鈉表面化學(xué)改性襯里技術(shù)和均勻涂覆氟化物粘接劑技術(shù)[4]，防止產(chǎn)生熱脹冷縮引起襯里變形、脫層等缺陷，尤其是克服了負(fù)壓操作引起襯里吸扁、起皺等缺點(diǎn)；采用加溫冷卻、充氣增壓、高溫塑化技術(shù)，提高襯里層的密度，消除襯里應(yīng)力，穩(wěn)定襯里性能，克服熱變形和冷流缺陷，實(shí)現(xiàn)了襯里與金屬殼體復(fù)合緊襯。

5 檢驗(yàn)啟示與對策

（1）應(yīng)關(guān)注及重視審查原材料質(zhì)量證明書及驗(yàn)收、復(fù)驗(yàn)記錄，對涉及的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容也需要確認(rèn)是否準(zhǔn)確、合適，不能完全信任設(shè)計(jì)、制造資料。

（2）用非金屬層測厚儀測定襯里層的厚度，檢查襯里是否有腐蝕破壞、老化開裂、磨損和機(jī)械接觸損傷、鼓包、與基體分離等缺陷；檢查容器管口、支撐件等連接部位是否有開裂、拉脫現(xiàn)象，緊固件、閥門、溫度計(jì)套管等零部件是否被腐蝕破壞；進(jìn)入設(shè)備的人員應(yīng)當(dāng)穿軟底鞋，衣物不能帶有金屬等硬質(zhì)物件，防止劃傷非金屬層；對襯里層的破損、腐蝕、裂紋、脫落等情況，查看檢查孔是否有介質(zhì)流出；當(dāng)發(fā)現(xiàn)襯里層穿透性缺陷或者有可能引起容器本體腐蝕的缺陷時，應(yīng)當(dāng)局部或者全部拆除襯里，查明本體的腐蝕狀況和其他缺陷情況。

（3）應(yīng)了解設(shè)備襯里使用過程中是否有避免輻射、振動和溫度驟變等情況，直接通入蒸汽加熱時，不得使用蒸汽直接沖刷襯里層。襯里設(shè)備殼體上是否設(shè)置泄漏信號指示孔。檢查聚四氟乙烯板材焊接采用熱壓搭接焊，搭接寬度不得小于20 mm。筒體與筒體的連接，應(yīng)采用法蘭連接，建議該類筒體的襯里盡量減少環(huán)縫，同筒體一起，采用法蘭連接。

（4）聚四氟乙烯的質(zhì)量直接影響聚合物的性能，聚四氟乙烯對直徑為0.27 nm以上的分子具有完全的不滲透性，因此要嚴(yán)格要求聚四氟乙烯樹脂制造工藝，從各生產(chǎn)環(huán)節(jié)上把控質(zhì)量。

（5）HG 20536—1993《聚四氟乙烯襯里設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn)到目前為止已有20多年沒有更新，因此建議根據(jù)目前國內(nèi)襯里成型技術(shù)發(fā)展的情況，及時更新襯里標(biāo)準(zhǔn)，在原有基礎(chǔ)上擴(kuò)大其使用范圍，以滿足石化裝置大型化、規(guī)模化的需求，促進(jìn)襯里設(shè)備在化工行業(yè)里更廣泛的應(yīng)用。

6 結(jié)語

本文以某臺PTFE襯里失效的汽提塔存料罐為研究對象，以TSG 21—2016為檢測標(biāo)準(zhǔn)，通過運(yùn)用資料審查、宏觀檢驗(yàn)、磁粉檢測、超聲波檢測、襯里檢驗(yàn)等技術(shù)手段，歸納總結(jié)了該存料罐PTFE襯里失效的詳細(xì)原因，并給出了具有針對性的返修意見，同時提出了PTFE襯里壓力容器檢驗(yàn)的注意事項(xiàng)，可為今后PTFE襯里壓力容器的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、返修提供技術(shù)參考。