TDA 氫化反應(yīng)釜損傷及檢驗(yàn)技術(shù)探討

黃 濤

（四川省宜賓市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，四川宜賓 644100）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)化工行業(yè)發(fā)展迅速，聚氨酯工業(yè)也不斷前進(jìn)，其重要原料TDA（甲苯二胺）需求量迅速增長(zhǎng)，與TDA 生產(chǎn)相關(guān)的工藝和反應(yīng)器開(kāi)發(fā)也被關(guān)注。TDA 氫化反應(yīng)釜是以DNT（二硝基甲苯）液相催化加氫反應(yīng)生產(chǎn)TDA 工藝的關(guān)鍵設(shè)備，受其工藝參數(shù)和復(fù)雜介質(zhì)影響，導(dǎo)致多種材料損傷和設(shè)備失效模式的存在，而化工設(shè)備的長(zhǎng)期運(yùn)行和超期服役現(xiàn)象較普遍，易產(chǎn)生各種再生缺陷，壓力容器定期檢驗(yàn)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生的設(shè)備安全隱患，是保障化工工藝連續(xù)、設(shè)備安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。

針對(duì)近期檢驗(yàn)的一臺(tái)TDA 氫化反應(yīng)釜定期檢驗(yàn)方案及其實(shí)際檢驗(yàn)情況開(kāi)展分析與探討，以尋求對(duì)該類(lèi)設(shè)備制定的檢驗(yàn)方案能基于分析該壓力容器可能的損傷機(jī)理和失效模式。在此基礎(chǔ)上制定可行、可靠的檢驗(yàn)方案，使檢驗(yàn)做到不濫用檢驗(yàn)方法、不盲目增加檢驗(yàn)項(xiàng)目、不遺漏檢驗(yàn)應(yīng)檢內(nèi)容，為設(shè)備、穩(wěn)定、安全地運(yùn)行提供保證。

1 氫化反應(yīng)釜設(shè)備概況

近期對(duì)某化工企業(yè)TDA 氫化反應(yīng)釜開(kāi)展了定期檢驗(yàn)，其基本參數(shù)如下：容器類(lèi)別，三類(lèi)中壓反應(yīng)容器；設(shè)計(jì)壓力，2.8 MPa；設(shè)計(jì)溫度，150 ℃；工作壓力，2.1 MPa；工作溫度，120 ℃；介質(zhì)，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(guī)格，Φ3220 mm×12490 mm；壁厚，筒體48 mm/封頭75 mm；容積，35 m3；設(shè)計(jì)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(yīng)釜中反應(yīng)過(guò)程是DNT 在一定溫度、壓力下，在催化劑存在條件下連續(xù)加氫生成TDA。在氣相（氫氣）、液相、固相（鎳催化劑）三相體系中運(yùn)行的非均相位化反應(yīng)，其循環(huán)氫純度85%～91%，本臺(tái)設(shè)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(jù)API 納爾遜曲線坐標(biāo)查找，上述使用條件時(shí)碳鋼沒(méi)有可能發(fā)生高溫氫損傷。因此，可以認(rèn)為該臺(tái)設(shè)備不存在高溫氫損傷。其反應(yīng)物及產(chǎn)品中，對(duì)設(shè)備可能造成的損傷有：①催化劑為粒狀物，與反應(yīng)中的物料、產(chǎn)品一起形成內(nèi)含顆粒的漿狀料隨反應(yīng)流程沖蝕、磨損器壁；②使用中控制不當(dāng)造成設(shè)備超壓；③存在設(shè)備大氣腐蝕等損傷、失效模式。

（1）沖蝕、磨損損傷機(jī)理：設(shè)備物料中催化劑為固態(tài)漿狀顆粒料，當(dāng)顆粒存在棱角尖銳時(shí)，就形成如刀具一樣的磨料，在尖端高切應(yīng)力作用下，即可對(duì)金屬表面造成切槽，同時(shí)流體與容器壁金屬之間會(huì)產(chǎn)生切應(yīng)力，使新鮮的金屬表面暴露出來(lái)，造成快速腐蝕。

（2）超壓損傷機(jī)理：物料的流動(dòng)性或其能量在承壓設(shè)備內(nèi)處于非平衡狀態(tài)時(shí)，物料和/或能量在容器內(nèi)發(fā)生聚集累加，造成承載壓力超過(guò)設(shè)備最大允許工作壓力。

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

3 檢驗(yàn)項(xiàng)目、重點(diǎn)檢驗(yàn)部位及進(jìn)一步檢驗(yàn)要求

根據(jù)其主要損傷及失效模式，擬開(kāi)展以下檢驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)該壓力容器進(jìn)行定期檢驗(yàn)。

3.1 宏觀檢驗(yàn)

主要采用目視方法（可以利用放大鏡、內(nèi)窺鏡或其他輔助儀器設(shè)備、測(cè)量工具），檢驗(yàn)壓力容器本體結(jié)構(gòu)、幾何尺寸、表面情況（如裂紋、腐蝕、泄漏、變形）和焊縫等。根據(jù)本臺(tái)設(shè)備的損傷模式，重點(diǎn)檢查容器內(nèi)壁有無(wú)劃痕，接觸面有無(wú)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(wú)腐蝕坑、溝、銳槽、蝕孔和波紋狀形貌。通過(guò)宏觀檢驗(yàn)可以對(duì)該壓力容器沖蝕、磨損、大氣腐蝕情況進(jìn)行檢出和判斷其損傷程度，為進(jìn)一步采取檢驗(yàn)手段提供依據(jù)。

3.2 超聲測(cè)厚

在容器內(nèi)、外部對(duì)容器殼體進(jìn)行多點(diǎn)隨機(jī)測(cè)厚檢查。測(cè)定后標(biāo)圖記錄，對(duì)異常測(cè)厚點(diǎn)做詳細(xì)標(biāo)記，并將實(shí)測(cè)厚度異常值中最小值處的位置尺寸標(biāo)注清楚。厚度測(cè)點(diǎn)重點(diǎn)為氣液兩相交界部位，物料進(jìn)口、流動(dòng)轉(zhuǎn)向、截面突變等易受腐蝕、沖蝕的部位，在制造成型時(shí)可能壁厚減薄部位和使用中易產(chǎn)生變形的部位，接管部位，宏觀檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的可疑部位等。通過(guò)超聲測(cè)厚，對(duì)宏觀檢查中發(fā)現(xiàn)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(jìn)行量化指標(biāo)，以對(duì)其設(shè)備承壓強(qiáng)度能否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)、工作參數(shù)進(jìn)行判斷。

3.3 表面缺陷檢測(cè)

鑒于該設(shè)備主要材料為16MnR，為鐵磁性材料，故對(duì)容器對(duì)接焊縫內(nèi)、外表面及熱影響區(qū)、人孔及主要接管角焊縫進(jìn)行MT（磁粉檢測(cè)）抽查檢測(cè)，且該設(shè)備內(nèi)部有攪拌裝置、盤(pán)管，故容器內(nèi)MT 檢測(cè)只能在設(shè)備篩板之上部位進(jìn)行。重點(diǎn)檢驗(yàn)應(yīng)力集中部位、變形部位、宏觀檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)裂紋的部位、T 形接頭、其他有懷疑的焊接接頭，補(bǔ)焊區(qū)、工卡具焊跡、電弧損傷處和易產(chǎn)生裂紋部位。通過(guò)表面缺陷檢測(cè)發(fā)現(xiàn)由于拘束應(yīng)力、殘余應(yīng)力的存在而導(dǎo)致的宏觀裂紋出現(xiàn)。

3.4 埋藏缺陷檢測(cè)

對(duì)筒體縱、環(huán)焊縫位置進(jìn)行外表面UT（普通超聲檢測(cè)）加TOFD（衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)技術(shù)）抽檢，同時(shí)對(duì)宏觀檢驗(yàn)和表面檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的缺陷或異常部位，檢驗(yàn)人員認(rèn)為需要補(bǔ)充焊縫埋藏缺陷檢測(cè)的、使用過(guò)程中補(bǔ)焊過(guò)的部位、使用中出現(xiàn)焊接接頭泄漏的部位及其兩端延長(zhǎng)部位進(jìn)行外表面UT 加TOFD檢測(cè)。通過(guò)埋藏缺陷檢測(cè)發(fā)現(xiàn)由于制造、焊接環(huán)節(jié)缺陷存在，未能檢出或其缺陷在腐蝕、應(yīng)力條件下發(fā)展而造成的超標(biāo)缺陷出現(xiàn)。

3.5 硬度檢測(cè)

如發(fā)現(xiàn)設(shè)備有環(huán)境開(kāi)裂情形的應(yīng)對(duì)開(kāi)裂部位的焊縫、熱影響區(qū)和母材進(jìn)行硬度測(cè)定，并隨機(jī)對(duì)其他部位進(jìn)行硬度抽查，對(duì)硬度測(cè)定值大于200 HB 的部位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)金相分析，以判斷其材料劣化程度。

3.6 螺栓檢測(cè)

該設(shè)備人孔螺栓直徑≥36 mm，故要求將人孔螺栓在逐個(gè)清洗后，宏觀檢驗(yàn)其是否存在損傷和裂紋的情況，發(fā)現(xiàn)異常則對(duì)其進(jìn)行MT 檢測(cè)。重點(diǎn)檢驗(yàn)螺紋及過(guò)渡部位有無(wú)環(huán)向裂紋。為判斷其螺栓材料情況，應(yīng)同時(shí)進(jìn)行螺栓硬度抽查。

3.7 定期檢驗(yàn)

定期檢驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)使用單位意見(jiàn)或檢驗(yàn)人員根據(jù)檢驗(yàn)情況確定設(shè)備安全狀況，如有懷疑時(shí)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。該設(shè)備介質(zhì)中含氫氣，為易燃易爆介質(zhì)，且設(shè)計(jì)資料中對(duì)氣密試驗(yàn)有要求，故在宏觀檢查和無(wú)損探傷合格后需進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。根據(jù)該設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況結(jié)合設(shè)計(jì)資料工作壓力要求，氣密性試驗(yàn)壓力取2.1 MPa。

4 檢驗(yàn)情況及結(jié)果分析

對(duì)本次定期檢驗(yàn)的情況及發(fā)現(xiàn)該壓力容器存在的問(wèn)題總結(jié)、分析如下。

4.1 內(nèi)、外表面宏觀檢驗(yàn)

在內(nèi)表面存在輕微的腐蝕及沖蝕現(xiàn)象（氣相空間和液相空間），設(shè)備內(nèi)表面局部位置存偶有發(fā)現(xiàn)較淺的機(jī)械接觸損傷和凹坑，主要存在于篩板以下560～1000 mm 部分，對(duì)該機(jī)械接觸損傷和凹坑部位打磨后測(cè)厚與周?chē)鷾y(cè)厚情況對(duì)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(cè)厚檢測(cè)

筒體最小厚度為47.1 mm，封頭最小厚度為72.0 mm，結(jié)合最近一次定期檢驗(yàn)（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(yùn)行中發(fā)生了0.5 mm 的最大壁厚減薄，按此計(jì)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(guò)其腐蝕裕量，故不影響定級(jí)。

4.3 表面無(wú)損檢測(cè)

在外表面對(duì)筒體、封頭交叉T 形焊縫位置和人孔及主要接管角焊縫進(jìn)行了磁粉檢測(cè)，在筒體、封頭交叉T 形焊縫位置發(fā)現(xiàn)1 處表面裂紋缺陷，缺陷長(zhǎng)度約7 mm，經(jīng)打磨（磨深約1.0 mm）后消除并經(jīng)MT 復(fù)檢合格；在人孔接管角焊縫外表面發(fā)現(xiàn)1 處表面裂紋缺陷，缺陷長(zhǎng)約10 mm，經(jīng)打磨（磨深約0.5 mm）后消除并經(jīng)MT 復(fù)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(jié)構(gòu)不連續(xù)處產(chǎn)生的拘束應(yīng)力和該應(yīng)力與焊接成形中形成的殘余應(yīng)力及組織應(yīng)力疊加，在制造時(shí)由于焊接不當(dāng)?shù)纫蛩囟z留、萌生的微裂紋，微裂紋擴(kuò)展致宏觀裂紋出現(xiàn)。

4.4 UT 檢測(cè)

本臺(tái)設(shè)備未發(fā)現(xiàn)埋藏缺陷相關(guān)顯示，TOFD 復(fù)檢，由圖譜分析亦未發(fā)現(xiàn)埋藏缺陷相關(guān)顯示。如發(fā)現(xiàn)相關(guān)顯示則應(yīng)明確埋藏缺陷深度、缺陷類(lèi)別、缺陷長(zhǎng)度、缺陷自身高度，并按NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》和TSG 21—2019《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》要求評(píng)定其級(jí)別并判斷是否影響該壓力容器安全狀況等級(jí)評(píng)定。

需要注意的是，本臺(tái)設(shè)備筒體壁厚48 mm、封頭壁厚75 mm，差異較大，其設(shè)計(jì)、制造時(shí)對(duì)焊縫位置封頭厚板進(jìn)行了內(nèi)削薄處理，故設(shè)備外表面是平齊的。在本次設(shè)備檢驗(yàn)時(shí)對(duì)UT 檢測(cè)只進(jìn)行了單面單側(cè)掃查，對(duì)TOFD 檢測(cè)則考慮不同板厚分別進(jìn)行了掃查。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)TDA 氫化反應(yīng)釜損傷及檢驗(yàn)技術(shù)探討，指明了檢驗(yàn)技術(shù)應(yīng)圍繞設(shè)備損傷機(jī)理予以制定，才能有目的、全面地檢出設(shè)備缺陷，確保設(shè)備安全運(yùn)行。

對(duì)檢驗(yàn)過(guò)程應(yīng)注意以下要點(diǎn)：①要把檢驗(yàn)方案制定放在首位，在對(duì)設(shè)計(jì)、工藝、運(yùn)行資料認(rèn)真審查的前提下與使用單位相關(guān)人員充分溝通交流，了解待檢設(shè)備工藝及使用狀況，分析待檢設(shè)備可能的損傷機(jī)理及失效模式，然后根據(jù)分析結(jié)果制定檢驗(yàn)方案，使檢驗(yàn)方案更具針對(duì)性；②注重宏觀檢驗(yàn)，應(yīng)盡量開(kāi)罐檢驗(yàn)，對(duì)內(nèi)外表面進(jìn)行全面的宏觀檢驗(yàn)，特別是壓力容器殼體外觀檢驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)新生表面缺陷并處理，避免其發(fā)展；③要注意壁厚減薄情況，采取定點(diǎn)測(cè)厚的方式監(jiān)控設(shè)備腐蝕減薄速率，保證容器在確定的檢驗(yàn)周期內(nèi)不發(fā)生因超預(yù)案腐蝕減薄而影響整體強(qiáng)度從而導(dǎo)致失效破壞的情況；④對(duì)埋藏缺陷的抽查要結(jié)合往次檢驗(yàn)情況開(kāi)展，通過(guò)歷次定期檢驗(yàn)抽查不同位置焊縫或復(fù)查檢驗(yàn)中曾發(fā)現(xiàn)未超標(biāo)缺陷位置以判斷該埋藏缺陷是否擴(kuò)展。