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超高压管式反应器无损检测技术研究进展学院：化学与化工学院专业班级：研化工15学号：1520190168姓名：张未浩超高压管式反应器无损检测技术研究进展高压自增强管式反应器在聚乙烯装置中的重要地位决定其一旦发生破坏后果十分严重,对这类设备缺少有效检验方法及失效判据。厚壁筒结构的超高压管式反应器无损检测主要以表面检测为主,如工业内窥镜检查、磁粉检测、渗透检测、磁记忆检测及涡流检测等。全面检验推荐使用超声波检测,由此可以检测到部件内部缺陷并兼顾内表面缺陷,在使用过程中则可用声发射进行实时监测。聚乙烯超高压自增强管式反应器是高压聚乙烯生产装置中的关键设备之一,国内高压聚乙烯生产装置使用的超高压管式反应器材料一般为AISI4340H或AISI4333M4,且大部分为进口材料。工作压力内压一般为100~300MPa(属于超高压),操作温度300e,介质为乙烯和高压聚乙烯。由于介质具有易爆特性,一旦发生爆裂事故后果将不堪设想。目前,国内外对于这类设备的检验均没有标准和规范。因此,对这类设备的安全性进行有效检验具有重大的现实意义。1设备简介超高压管式反应器结构形式一般是由多段带夹套的管子组成,每段管子外面设有夹套,夹套内通冷却水。规模大的反应器可以由上百段带夹套的管子组成,一般每段管长约为7~16m,内径约为25~75mm,内壁一般经过自增强处理。超高压管式反应器在役期间,受到开停工循环载荷、正常操作条件下的压力和温度波动、伺服阀动作产生的脉动压力冲击以及管内介质发生超温分解反应时的热冲击等作用。另外,在交变应力和冷却水对外管壁腐蚀的共同作用下发生的腐蚀疲劳,会极大降低反应器的疲劳寿命。上述因素单独或者综合作用时会引起超高压管式反应器内自增强残余应力的松弛和材料损伤,或者产生表面裂纹,致使超高压管式反应器疲劳强度降低而引发事故。如何通过定期检验和安全分析与评定,保证超高压管式反应器安全经济运行,一直受到研究人员高度重视,是工程上研究和应用的重大课题。2超高压管式反应器失效机理研究的现状和发展2.1国外现状国外超高压管式反应器及反应器的理论研究和工业技术己经达到一定水平。从上世纪60年代开始,德国、美国、日本、英国相继建立150~350MPa的高压聚乙烯装置。近年来,随着聚乙烯工业迅速发展,聚合压力与反应器生产能力迅速提高,与之相关的弹塑性力学、断裂力学、材料科学以及设备延寿技术等多方面的理论和技术因此得到促进和发展,有关超高压管式反应器的研究在国外也已经形成一门综合性很强的学科[1~2]。疲劳和断裂一直是压力容器研究和应用比较集中关注的课题。各国竞相借鉴高新技术和跨学科研究成果的信息,如应用近年来发展起来的损伤力学确定宏观裂纹的萌生寿命。利用由控制论、系统论和信息论派生出来的神经网络和灰色系统方法进行剩余强度和剩余寿命计算。利用专家系统方法编制评定软件,实现安全的智能化[3~6]。以上这些方法是研究超高压管式反应器失效机理的重要理论基础,同时也对超高压管式反应器合于使用研究起到了重要作用。近几年,在役压力容器安全性评定的研究在国外一直是十分活跃的课题。在结构断裂评定中,将断裂评定的计算过程编制成软件,以计算机辅助进行断裂评定,不仅可以降低对评定人员断裂力学专业知识的要求,而且有利于推广断裂评定规范在工程上的应用。断裂力学数十年的发展为设备结构安全评定奠定了基础,产生了诸如COD设计曲线、R6和EPRI等断裂评定准则。以/合乎使用0为准则,国外利用计算机进行断裂评定进行了大量工作。英国中央电力局在颁布R6标准的同时,为了配合准则的使用开发了一系列软件,如ORACLEO、ADISC、FRAC-TUREONE、FRACTURETWO等。这些软件利用R6准则,对压力容器的安全性进行评定,如英国开发了CRACKWISE和PC6493软件辅助PD6493-91评定过程等。以上这些准则已经广泛用于超高压管式反应器的安全评价中,是超高压管式反应器合于使用安全评价的基本方法。2.2国内现状国内个别运行条件比较苛刻的超高压管式反应器内壁残余应力已衰减为0,超高压管式反应器内壁有出现裂纹的可能性(国内已有出现超高压管式反应器破前漏(LLB)事故的报道)。聚乙烯超高压管式反应器一旦发生爆破,后果不堪设想。所以,国内开展对超高压管式反应器的检验和缺陷评定研究工作具有紧迫性,为制定检维修决策提供可靠的理论依据具有重要意义。国内超高压管式反应器的主要研究方向为:超高压管式反应器用材料的开发、超高压管式反应器结构设计、超高压管式反应器的失效准则和判据、自增强技术、有限元方法、实验应力试验、疲劳试验、缺陷检测和安全等级评定以及超高压管式反应器研究装备等几个方面[7~12]。另外,在对反应管的先漏后破(简称LBB)特性、残余应力松弛和宏观裂纹扩展等研究领域也取得进展。对超高压管式反应器LBB判断准则是借用了压力容器、核电站设备结构设计与评价中的重要准则。目前,对超高压管式反应器损伤机理研究的常用方法有以下几种。(1)通过研究平均应力对da/dN的影响,进行反应管的外观检查和无损探伤。(2)测定残余应力分布,进行带缺陷的反应管的爆破试验和内压疲劳试验。(3)利用自增强理论计算反应管的初始残余应力的大小,利用服役周期和运行记录计算残余应力的衰减情况。(4)根据静力强度理论和不同失效准则计算反应管的运行安全系数。(5)根据疲劳理论和断裂力学理论对反应管进行疲劳载荷重复次数(到达破坏时的剩余寿命)和断裂失效的计算,得出反应管的安全使用寿命。同时,自增强残余应力对提高反应管疲劳强度的有利作用已为许多研究成果所证实。由于残余应力是自平衡体系,随着裂纹的扩展残余应力会释放,对受分解反应的反应管,其残余应力会大幅降低。反应器选材方面,要求管材具有良好的韧性和断裂韧度才能保证反应管长期安全使用,才能保证先漏后破的失效模式。表面裂纹准静态扩展的几何形貌变化规律的预测是LBB十分重要的评判。温度和压力的变化对残余应力松弛的影响及其机理、反应管内外表面宏观裂纹萌生寿命的分析与评价、安全检测技术以及安全分析智能化等很多方面的研究尚有待新的突破和完善。近几年来,基于风险的检验技术(简称RBI)在国内已经得到应用[13~16]。与常规检验技术相比,RBI技术充分考虑失效可能性和失效后果的影响,在保证安全的基础上,更加科学合理地进行投入,实现安全性与经济性的统一。到2008年,RBI技术已经在中石油和中石化的多家分公司进行试点应用,取得了良好社会效益和经济效益。基于风险的检验技术,为解决超高压管式反应器的检验与安全评定问题提供了一种有效的途径。3超高压管式反应器检测方法和存在问题3.1内、外部检验方法[17~22]3.1.1宏观检验重点检验容器的内表面、外表面及开孔处等部位有无腐蚀、冲蚀等现象,应力集中部位有无裂纹。对有怀疑的部位,用放大镜检查或采用无损检测方法。对主要紧固螺栓,应逐个进行外形宏观检查(螺纹形状、圆角过渡部位、长度等),并用磁粉或着色检查是否有裂纹存在。3.1.2容器筒体内表面检测以工业内窥镜检查为主,可选用磁粉检测、渗透检测、磁记忆检测、涡流检测和超声检测,其它可直接检测面可选用磁粉检测或渗透检测。(1)工业内窥镜检查工业内窥镜是运用几何光学原理将目镜可及部位表面状况通过光导纤维等导光材料传送到观察处,供检验人员观察、分析、记录。超高压管式反应器筒体内径小,长度长,检验人员已无法直接观察几米、十几米位置工件的表面状况,运用工业内窥镜就可以解决这一问题。另外,工业内窥镜还是磁粉检测或渗透检测观察的有效手段之一。(2)磁粉检测现场检测时,一般只能选用移动式磁粉探伤机或便携式磁粉探伤机对工件进行局部或分段磁化,便携式磁粉探伤机运用最为广泛。由于检测重点是工件表面以及不同磁化电流的特性,一般选用交流磁化电流。筒体内壁的检测经常需要一套机械携带装置携带检测仪、磁粉施加装置和观察装置进行分段、局部检测。检测前应将被检部位表面清理干净,如果存在薄层介质无法清除,应选择能在被检面良好润湿的磁悬液。检测时必须注意不能将工件表面划伤或灼伤。对于孔径较小的孔,可用橡胶铸型法进行检测。(3)渗透检测在用超高压管式反应器检验中,对螺纹、沟槽等结构运用渗透检测较多,主要用着色渗透检测。着色剂的质量应符合相关标准要求。对一些特殊材料,如奥氏体不锈钢、钛及钛合金材料,渗透检测剂中的氯、氟离子含量有极限要求。检测灵敏度应达到高灵敏度级别。检测时,表面处理尤为重要,必须清除表面所有工作介质、油污、锈迹、氧化层、毛刺等影响检测的所有物质。(4)磁记忆检测由于超高压管式反应器的工作特点是在上百兆帕的内部压力下工作,一些容器还承受着几百甚至上千度的高温,还有一些承受着压力或温度交变载荷,内壁应力极大。磁记忆检测基本原理是,处于地磁环境下的铁制工件受工作载荷的作用,其内部会产生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向的和不可逆的重新取向,并在应力与变形集中区形成最大的漏磁场的变化。这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后继续保留,从而通过漏磁场的测定,便可以准确地判断出工件应力集中区。而应力集中区也是易产生表面裂纹的区域,可通过其它表面检测方法进行复验。应当注意,在容器使用磁记忆检测前,不能使用以施加磁场进行检测的电磁检测方法进行检测,否则磁记忆信号被强磁场所破坏,使磁记忆检测毫无意义。(5)涡流检测对于超高压管式反应器表面缺陷,涡流检测方法是比较有效的检测技术。超高管式反应器的材料通常是铁磁性材料,其导磁率是一种随外加磁场变化而变化的数值,且远大于1。在与检测线圈相互作用的过程中,它将使检测线圈的阻抗大为增加。在对铁磁性材料的实际检测中,如果由于材料本身的原因,使其磁导率在材料各处不一致,这样会使检测线圈阻抗变化很大,从而对检测结果的影响是很大的。使用较大的磁饱和装置对铁磁性材料进行预磁饱和的方法,不适合进行现场检测。此时,可以选用自比差动点式检测线圈。点式线圈可以做得很小,所以它与被检元件相互作用面积是很小的,这样,在该区域中磁导率变化远小于缺陷产生的信号,由此提高了信噪比和检测灵敏度。自比差动式检测线圈对工件中缓慢的材料和形状变化的影响有抵消作用,而对工件中突然的不连续(如裂纹),将产生很强的信号。德国巴斯夫公司推出的旋转涡流检测技术(Rotatingeddycurrentinspection)是针对直径较小的高压管式反应器腐蚀和裂纹进行检验有的效先进检测技术。该检测技术可用在直径89mm的单根管长17m,组合3根管长51m的套管超高压管式反应器的检验中,检出的深1mm、长10mm的裂纹检验实例见图1。(6)超声波检测超声波检测在用超高压管式反应器的重点是用横波斜探头从外壁检测筒体内壁和一些台阶、退刀槽等结构是否存在表面缺陷,以检测其它表面检测无法检测到的内表面缺陷。还可以采用纵波直探头或小K值纵波斜探头按标准检测螺纹齿牙根部是否存在裂纹。3.2超高压管式反应器运行过程中的声发射检测声发射检测技术的特点是必须在加载的过程中采集数据,而超高压管式反应器加载十分困难,常需要温度的辅助。因此,声发射检测在容器使用中进行是可行的。采用声发射检测技术的目的是检测设备中是否存在活性缺陷,它也是设备安全运行实时监控的有效手段。超高压管式反应器运行过程中受强大的内应力的作用,如果出现屈服、缺陷开裂或失效等现象将会发出应力波,这一现象属于声发射。声发射检测能对运行过程中的容器进行连续的远距离监测。在整个过程中,只需将一定数量的传感器固定在各个位置而不须移动。声发射检测能十分敏感、迅速地反映出材料内部的瞬间不稳定性,也可确定容器本体中活性缺陷的位置、活度[20]。3.3超高压管式反应器无损检测存在主要问题对超高压管式反应器实施无损检测时不容易检查出缺陷的一个最主要的原因是,检测时反应器的状态和其工作状态相比差别太大。对超高压管式反应器或管线,在常压下无论用什么常规检测方法,都非常不容易检测到裂纹。如果加压到100MPa以上,常规的检测方法(磁粉检测、超声波检测及涡流检测)都能比较容易地探测到裂纹的存在。参考文献:[1]ChibaK,Iwate