醋酸乙烯-乙烯共聚乳液反应釜内衬应力腐蚀开裂的研究

醋酸乙烯-乙烯共聚乳液反应釜内衬应力腐蚀开裂的研究

梅文学

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摘要：本研究聚焦于醋酸乙烯-乙烯共聚乳液反应釜内衬的应力腐蚀开裂（SCC）问题，探讨了在高温、高压和化学腐蚀环境下设备的性能与维护策略。通过对反应釜的设计规范适用性、内衬腐蚀机理以及疲劳设备延长使用次数的风险评估进行了深入分析，提出了一系列预防SCC的措施和延长设备使用寿命的管理策略。研究结果表明，通过适当的维护和监控，反应釜的使用寿命可以安全延长，同时确保了生产的连续性和安全性。

关键词：反应釜内衬；应力腐蚀开裂；风险评估

引言

醋酸乙烯-乙烯共聚乳液作为化工生产中的关键原料，其生产设备——反应釜的稳定性与安全性对整个生产过程至关重要。反应器作为生产该乳液的核心设备，承载着高温、高压和化学腐蚀性介质，这些条件均可能诱发应力腐蚀开裂（SCC）现象[1]。SCC是一种在特定环境下由腐蚀和应力共同作用引起的材料断裂，其隐蔽性强、危害性大，是化工设备失效的主要原因之一。本研究旨在评估和优化反应釜的运行条件，提出有效的预防措施和管理策略，以延长设备的使用寿命并保障生产过程的稳定性。

1反应釜概述

1.1反应釜

在化工生产中，反应釜是实现物质转化和合成的关键设备，其性能直接关系到生产效率和产品质量。作为生产醋酸乙烯-乙烯共聚乳液的反应器，承担着在高温、高压和化学腐蚀环境下进行化学反应的重要任务。该反应釜的设计和制造均遵循了严格的工业标准，以确保其在苛刻的工作条件下的可靠性和耐久性。然而，即使在最佳的设计和制造条件下，长期运行的反应釜也可能面临应力腐蚀开裂（SCC）的风险，这是一种由腐蚀和应力共同作用引起的材料退化现象，对设备的安全运行构成威胁。为了预防SCC的发生，定期对反应釜进行无损检测，如超声检测（UT）、渗透检测（PT）和磁粉检测（MT），是确保其完整性和性能的重要措施。

1.2设计规范的适用性分析

设计规范JB4732《钢制压力容器分析设计标准》的适用性对于确保反应釜的安全性和可靠性至关重要为设计提供了坚实的理论基础和实践指导。在疲劳设计方面，重点在于计算交变应力幅，利用疲劳曲线确定材料的允许循环次数，并进行疲劳强度的校核，以确保容器在循环负载下的耐久性。无损检测方面，实施了全面的射线检测和渗透检测（PT），以及超声波检测（UT），均达到100%的检测覆盖率，并进行了复检，以确保焊缝质量。其中，A类焊缝总长30.8m，B类焊缝总长31.0m，均经过严格检测，以保障反应釜的整体结构安全性。反应釜的设计和制造严格遵循了JB4732规范，确保了在规定的操作条件下，反应釜能够承受预期的机械和热负荷，同时考虑到腐蚀、疲劳和其他潜在的失效模式。

2反应釜内衬腐蚀机理

2.1应力腐蚀开裂的基本原理

应力腐蚀开裂（Stress Corrosion Cracking, SCC）是一种在特定腐蚀介质和应力作用下发生的材料断裂现象。其基本原理涉及三个关键因素：材料的力学性能、腐蚀介质的化学特性以及外部或残余应力的存在。SCC通常发生在材料的晶界或微观缺陷处，这些区域由于局部应力集中而成为裂纹的起始点。在腐蚀介质的作用下，裂纹会逐渐扩展，最终导致材料的突然断裂。SCC的发生通常与材料的腐蚀电位、应力状态、环境温度以及介质的组成和浓度有关。例如，某些金属材料在氯化物等腐蚀性环境中更容易发生SCC[2]。此外，应力腐蚀开裂是一个缓慢的过程，可能在没有明显预兆的情况下突然发生，这使得其检测和预防变得非常具有挑战性。

2.2醋酸乙烯-乙烯共聚乳液中化学物质对材料的影响

在醋酸乙烯-乙烯共聚乳液的生产过程中，反应釜内衬材料直接与多种化学物质接触，这些化学物质对材料的影响是复杂且多维的。醋酸乙烯和乙烯单体，以及可能使用的催化剂和化学助剂，都可能对反应釜内衬材料产生腐蚀作用。醋酸乙烯在聚合反应中可能会对金属内衬产生酸性腐蚀。乙烯的存在也可能对某些金属材料的耐蚀性构成挑战，因为乙烯在聚合过程中可能会产生自由基，这些自由基可以引发材料的氧化反应。

2.3疲劳设备延长使用次数的可行性与风险评估

在进行疲劳设备的使用次数延长可行性与风险评估时，我们必须首先考虑环境因素对应力腐蚀开裂（SCC）的影响，因为这些因素直接关系到设备的长期稳定性和安全性[3]。SCC通常在材料承受静态或循环应力并暴露于腐蚀性介质时发生，其中温度、介质化学性质、浓度、pH值、溶解氧量以及特定离子的存在都是关键的环境因素。聚合反应过程中产生的热量可能导致局部温度升高，加速腐蚀过程，而内衬材料在操作中可能遭受的不均匀热应力或机械应力，与腐蚀介质的联合作用可能引发SCC。为了预防SCC并确保设备安全，必须对反应釜的工作环境进行精确控制和优化，包括严格控制反应条件如温度、压力和介质组成。T/CMES-PVP 001-2022《超设计使用年限压力容器评估与检验导则》提供了一套针对可能出现疲劳损伤的超设计年限压力容器的损伤评估流程和分类标准，如图1所示。

图1 存在疲劳损伤模式的超设计使用年限压力容器推荐分类方法

根据标准，在设计压力为12.5MPa条件下进行测试，表1是该反应器容器壳体疲劳校核汇总表。

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表1 容器壳体疲劳校核汇总表

该反应器已运行13783次，下次检验周期按5年计，每年按1000次计算，实际操作工况分析得到的循环次数加上下一检验周期的预期循环次数为18783次，小于按材料设计疲劳曲线得到的反应器循环次数37462次。通过对反应器分析设计计算，结果表明，该反应器满足JB4732-1995的应力强度要求，这表明，在适当的维护和监控下，设备的使用次数有可能安全延长。然而，为了确保这一决策的科学性和安全性，必须进行严格的评估，包括对设备结构完整性的检查、潜在损伤机理的识别，以及对历史检验结果的复审。在风险评估方面，需要综合考虑设备的腐蚀速率、材料性能变化以及应力集中区域的状况。

3疲劳设备延长使用次数的策略

3.1设备维护与检修的实践

设备维护与检修是确保工业设备长期稳定运行和延长使用寿命的关键环节。实践包括制定并遵循定期检查计划，对设备的关键部件进行视觉检查和功能性测试，以确保它们处于良好状态；基于设备的使用情况和制造商的建议，实施预防性维护措施，如润滑、清洁、调整和更换磨损部件，以防止故障发生；利用现代技术，如振动分析、热成像和油液分析，对设备进行状态监测，以早期发现潜在问题；当设备发生故障时，进行彻底的故障分析，以确定根本原因，并采取纠正措施防止未来的故障。

3.2应力腐蚀开裂的预防措施

应力腐蚀开裂（SCC）是一种在特定腐蚀介质和应力作用下发生的材料断裂现象，对工业设备的安全性和可靠性构成严重威胁。为了有效预防SCC，选择具有良好抗SCC性能的材料，特别是在已知会发生SCC的环境中；在设计阶段，考虑减少应力集中和避免敏感的微观几何结构，以降低SCC发生的风险；精确控制工艺介质的化学成分和条件，如pH值、温度、压力和介质浓度，以减少腐蚀介质的影响；实施定期的无损检测（NDT），如超声检测（UT）、射线检测（RT）或渗透检测（PT），以便及时发现裂纹；在易受腐蚀的区域应用防腐涂层或衬里，以提供额外的保护层，防止腐蚀介质与材料直接接触；进行应力腐蚀测试，以评估材料在特定环境下的抗SCC性能；进行系统的风险评估，识别SCC的潜在风险，并制定相应的管理措施。

3.3延长设备使用寿命的管理策略

为了有效延长工业设备的使用寿命，实施一系列精细化管理措施至关重要。这些策略包括：（1）基于设备的具体运行状况和历史数据，制定个性化的维护计划，确保覆盖所有关键部件。利用设备运行数据进行分析，预测潜在故障，从而在问题发生前采取行动。

（2）部署先进的监测技术，如振动分析和温度监测，以实时跟踪设备状态，及时发现异常。

（3）定期对设备进行性能评估，评估其运行效率和可靠性，识别改进空间。

（4）加强操作人员的培训，提高他们对设备维护的认识，确保维护工作的质量和效率。

（5）建立风险管理机制，评估设备运行中的潜在风险，并制定相应的应对措施。

（6）确保所有维护和操作活动遵守行业标准和法规要求，减少违规操作带来的风险。

（7）建立有效的备件库存系统，确保关键备件的及时供应，缩短维修停机时间。

（8）持续改进文化：培养一种持续改进的文化，鼓励团队成员提出改进建议，不断优化设备管理流程。通过这些策略的实施，可以显著提高设备的稳定性和可靠性，从而延长其使用寿命，为企业带来长期的经济效益。

4结论

本研究通过综合分析反应釜的设计规范、内衬腐蚀机理和疲劳设备的使用风险，提出了一系列预防SCC和延长设备使用寿命的策略。研究结果证实，通过实施定制化的维护计划、状态监测、风险管理以及持续改进的文化，可以显著提高反应釜的稳定性和可靠性。此外，遵循T/CMES-PVP 001-2022《超设计使用年限压力容器评估与检验导则》进行损伤评估和分类，可以确保在不增加安全风险的前提下，合理延长设备的使用次数。这些发现对于化工行业的设备管理和维护具有重要的实际应用价值。

参考文献

[1]孔令昆,赵婉瑄,徐佰欣. 压力容器开孔补强之等面积法与薄膜应力法[J]. 一重技术,2017(4):14-19.

[2]南立志,朱万钦,张军锋,等. 应力腐蚀开裂探讨[J]. 中国科技纵横,2011(9):306-308.

[3]周稀乔,肖迎宾.卷烟生产设备疲劳状态可视化智能维护技术研究[J].机械制造与自动化,2022,51(04):233-236.

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