PTA氧化反应器泄漏失效分析

2023-01-08

概况

中石化某化工厂PTA一装置所属氧化反应器1HR-301A、1HR-301B、1HR-301C三台并联运行。2011年6月, 使用单位临时停车进行氧化反应器搅拌轴轴封、电机检修, 检修合格后开车, 在升温升压的过程中, A、C两台反应器下封头检漏孔发生泄漏, 其中C台较为严重, A台轻微泄漏, B台无泄漏迹象。使用单位紧急停车, 并通知检验单位提前进行全面检验。以下对本次泄漏事故进行案例分析。

一、设备技术资料 (1HR-301A、B、C)

氧化反应器是PTA装置的关键设备, 其内部反应主要包括四个步骤, 即对二甲苯 (PX) →对甲基苯甲醛 (TALD) →对甲基苯甲酸 (p-TA, 又称PT酸) →对羧基苯甲醛 (4-CBA) →对苯二甲酸 (TA) 。4个氧化反应是串联反应, 一般以醋酸为溶剂, 以醋酸钴、醋酸锰和氢溴酸 (或者四溴乙烷) 为催化剂。其技术资料如下:

设计单位:LURGI GMBH设计规范:AD规范

制造单位:NOOTER制造规范:AD规范

容器内径:Φ3820mm容积:95m3

封头型式:碟形支座型式:耳式

主体材质:筒体、封头均为WSTE36主体厚度:筒体—40mm封头—53mm

内衬:Ti I内衬厚度:2..11mm

设计压力:3.1MPa实际操作压力:2.65MPa

设计温度:254℃实际操作温度:224℃

工作介质:水、TAA、HAC、空气、催化剂

投用日期:1989年9月

其衬里环、纵焊缝采用搭接焊, 焊接节点示意图见图1、图2。

上次全面检验情况:

2007年7月由本中心进行, 主要问题:3台氧化反应器下封头衬里存在多处机械碰伤凹坑。其中1HR-301B由于搅拌轴的长短轴连接螺栓剪切断裂, 长轴坠落, 叶片在筒体、下封头衬里上造成多处深碰伤和划伤, 深度0.5~2mm;缺陷打磨补焊后复检合格。安全状况等级定2级, 下次检验日期为2011年7月。

二、检验内容及检验结果

检验内容:1.宏观检查;2.厚度测定;3.内表面衬里盖板焊焊缝100%渗透检测;4.下封头外表面直探头超声波检测 (检查碳钢基层腐蚀情况) ;5.衬里及焊缝金相检验:完好部位与裂纹部位对比;6、外表面壁厚测定;7、外表面碳钢层环、纵焊缝磁粉检测;8、外表面碳钢层环、纵焊缝超声波检测。

检验结果:

外表面壁厚测定、环纵焊缝磁粉检测、环纵焊缝超声波检测均未见异常, 内表面检验结果如下:

(1) .下封头中心Ф1000mm范围内, 沿搅拌轴搅拌方向, 盖板焊迎料侧焊缝及部分盖板母材冲刷减薄严重, 实测最小值仅1.4mm (正常部位3.0mm左右) , 见图3;

(2) .对下封头及部分下部筒体盖板焊焊缝进行渗透检测发现:三条焊缝 (迎料侧) 存在裂纹, 最长300mm (断续) , 见图4。部分焊缝有泄漏迹象 (物料由衬里夹层停车后反渗) , 见图5。

(3) .金相检验

金相检验结果表明, 正常部位微观金相组织为α-钛, 组织分布均匀, 未见明显异常, 见图6;裂纹部位从微观形貌来看, 裂纹主要是沿晶界方向扩展的, 且裂纹尖端无分叉, 可见该裂纹的形成应该与介质中氢原子的活动关系基本无关, 见图7。

(4) 由于停车处理及时, 时间较短 (泄漏后2小时即停车) , 超声波检测未发现下封头碳钢基层有明显的腐蚀空洞。

三、裂纹产生原因分析

(1) 该容器自1989年9月投用以来, 运行时间已长达近22年, 且2002年工艺改造后设备负荷由70%提到90%, 2006年又提到110%, 属超负荷运行。搅拌轴下部叶片的搅拌作用使物料 (含固体颗粒) 对下封头中心附近的盖板焊焊缝及母材形成侧向冲刷, 迎料侧焊缝及部分盖板母材减薄严重, 其所能承受强度 (载荷) 大大降低, 在开车升温升压的过程中受到拉应力后极易造成撕裂。

(2) 从下封头盖板拆除后及裂纹打磨补焊的情况看, 实际的盖板焊角焊缝根部存在未焊透、夹渣等现象, 其中根部未焊透高度超过1mm, 而整个角焊缝高度为3mm左右, 即角焊缝高度的1/3基本未焊透, 且伴随夹渣等缺陷, 造成角焊缝根部应力严重集中, 其所能承受的强度大大降低。见图8。

由上图可以看出, 实际承受载荷的盖板焊焊缝厚度最薄处已不足0.5mm。

(3) .现行开车工艺的升温升压时间已由工艺改造前时间的8小时缩短为4小时左右, 缩短近一半。短时间内的升温升压加剧了本来就已经很薄弱的盖板焊焊缝的开裂。焊缝开裂基本上都发生在设备开车阶段。

(4) .搅拌轴下部叶片与水平面的倾角不同, 对下部衬里的冲刷也不同, 倾角越大, 冲刷越强。倾角C台最大, A台次之, B台最小;A、C两台为后来国内厂家测绘后制作, 测绘存在误差, 导致下部叶片倾角与原设计相比偏大;B台为原出厂制作, 只进行了维修, 未进行更新。A、C两台由于倾角偏大, 对下部冲刷较B台严重得多, 与实际泄漏现象相对应。B台冲刷较轻, 但随着时间推移, 也存在衬里角焊缝开裂的可能性。

(5) 检验检测人员经验不足, 对冲刷减薄程度未定量, 只凭以往检验对焊缝进行渗透检测, 此时, 焊缝是完好的, 问题是开车加载时随时可能开裂。