超高压管道失效模式及防护对策研究.pdf

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1、162化工机械2015扭超高压管道失效模式及防护对策研究8孙宝财”吴恭平李沧于佳平何颜红王小平(甘肃省锅炉压力容器检验研究院)摘要通过分析反应管振动、开停工及生产牌号转换循环载荷、正常服役期间的压力和温度波动、伺服脉冲阀动作脉冲栽荷以及乙烯超温分解反应等因素对超高压聚乙烯反应管自增强残余应力松弛的影响。指出乙烯超温分解是导致超高压聚乙烯反应管自增强残余应力松弛的主要原因，并给出了反应管外壁腐蚀损伤机理和夹套管的失效模式。提出了防止超高压聚乙烯反应管自增强残余应力松弛的对策，并指出应采取在制造过程中尽量消除反应管残余拉应力、改善冷却水水质及优化夹套管结构等措施，来有效防止腐蚀损伤

2、的发生和提高夹套管冷却水的有效流动性，从而保证了超高压聚乙烯反应管安全、可靠、长周期的运行。关键词超高压聚乙烯反应管自增强残余应力松弛失效模式中图分类号TQ052．4文献标识码A文章编号0254．6094(2015)02．0162一05超高压管道由于常常工作在高温高压、管外腐蚀情况复杂及受低周疲劳作用等环境中，因此通常选用韧性好、强度高的低合金无缝厚壁钢管。目前国内外对超高压管道的研究主要集中在超高压聚乙烯反应管上，其特点是细、长、厚且外带冷却水夹套管，工作条件极其复杂苛刻。为提高超高压聚乙烯反应管承载能力和疲劳寿命，自增强处理技术随之被较多应用⋯。但随着反应管服役年限的延长，

3、自增强残余应力将会产生松弛。笔者从反应管内外壁面及其冷却水夹套管工作环境着手进行分析，掌握了超高压聚乙烯反应管自增强残余应力松弛规律的影响因素及其冷却水夹套管可能发生的各种失效模式，使得工程技术人员在正常生产操作过程中能够更好地采取相应的防护对策，以保证装置安全、可靠、长周期运行。1自增强残余应力松弛对于超高压聚乙烯反应管而言，疲劳破坏是其主要失效形式之一。为了满足超高压聚乙烯反应管的工况要求、改善壁厚方向的应力分布、提高服役期间的弹性区域，避免一味地提高材料强度、增加管壁厚度，从而达到延长其疲劳寿命的目的。一般情况下，在制造时会对其进行自增强技术处理，以产生有益的预压缩残余应

4、力。但是如前所述，超高压聚乙烯反应管的工作条件极其复杂苛刻，要受到反应管振动、开停工及生产牌号转换循环载荷、正常服役期间的压力和温度波动、伺服脉冲阀动作脉冲载荷以及管内乙烯超温分解反应产生的高温热冲击等因素的单独和耦合作用，均会引起自增强残余应力在使用过程中的松弛。2“。。1．1影响因素1．1．1反应管振动超高压压缩机的往复运动和第四反应区后的伺服脉冲阀高频周期性的脉冲载荷是造成超高压聚乙烯反应管振动的根源。加之管架支撑稳固性差及紧固螺栓松动等因素，致使超高压聚乙烯反应管承受振动疲劳而使其自增强残余应力松弛。1．1．2开停工及生产牌号转换循环载荷超高压聚乙烯反应管服役期间，在正

5、常操作工艺要求、非计划停车或生产不同牌号产品时，会经常出现大量的开停车或操作压力和温度波动变化的情况，极易造成反应管自增强残余应力的松弛，进而导致反应管的低应力脆性破坏的发生。*国家质检公益性科研专项项目(201310152)，甘肃省质量技术监督局科技项目(GZJ2011005)。$$孙宝财，男，1981年5月生，工程师。甘肃省兰州市，730020。第42卷第2期化工机械1631．1．3伺服脉冲阀动作脉冲载荷由于反应管长且内流通截面积小，因此为防止发生乙烯聚合物粘壁现象、合理控制反应气体在反应管内的停留时间，一般在反应管出口处设置伺服脉冲阀。伺服脉冲阀在一定的脉冲持续时间和脉冲

6、深度下产生有规律的脉冲压力。但与此同时，这种有规律的高频脉冲循环载荷将导致反应管自增强残余应力的松弛，反应管疲劳性能随之降低。1．1．4正常服役期间的压力和温度波动超高压聚乙烯反应管的操作压力一般在220～335MPa之间，表1为国内部分石化企业超高压聚乙烯反应管设计与工作参数。在正常操作工况下，反应管不仅要受到伺服脉冲阀的高频压力脉冲，而且还会受到由于乙烯聚合反应的不均匀，致使超高压聚乙烯反应管长期处于有压力波动的高温状态，由此产生的疲劳失效会直接引起超高压聚乙烯反应管自增强残余应力的松弛。表1国内部分石化企业反应管设计与工作参数1．1．5乙烯超温分解反应影响超高压聚乙烯反应

7、管自增强残余应力松弛的最主要原因是内部介质乙烯的超温分解反应。由于反应管的正常操作温度与乙烯发生分解温度基本相近，一旦应对不好就可能导致乙烯超温分解反应的发生：C2H4=2C+2H2C2H4=C+CH4可以看出，乙烯超温分解反应生成碳、氢气和甲烷。超温分解反应一旦发生，反应热将随之大量产生，反应速度将随温度的升高而瞬间加速。如果此时反应热不能被及时有效地移出，超温分解反应将失去控制，轻则造成大量不合格产品的产生，造成不必要的浪费；重则可能引发生产安全事故。乙烯超温分解反应对超高压聚乙烯反应管