反应器-从失效到更安全的设计和制造

1、反应器-从失效到更安全的设计和制造 华东理工大学机械与动力工程学院 报告人：关凯书 背 景 失效模式 设计规范 设计准则 案例分析 1992年7月 2009年1月 1998年10月 2005年3月 背 景 2010年8月 美国路易斯安那的莱克查尔斯发生 尿塔爆炸， 7人受伤，87人不同程 度受到尿塔内泄漏介质的侵害 我国平阴尿塔爆炸，尿塔被炸成3 段，4人死亡，32人受伤，直接经 济损失3000余万元。 日本福岛第一核电厂冷却池中的一根 钚铀混氧燃料棒。2011年3月，一场 海啸破坏了核电厂的3个反应器。 熔盐加热管壳式固定床反应器爆炸， 5人死亡，9人受伤，造成巨大经济 损失和恶劣社会影响

2、美国马里兰州巴尔的摩的CONDEA Vista 公司烷基苯装置反应器发生 爆炸火灾事故，造成4人受伤。 如何如何 从失从失 效中效中 吸取吸取 教训教训 针对失效模式的设计理念成为反应器器设计标准的发针对失效模式的设计理念成为反应器器设计标准的发 展方向。展方向。 确定最有可确定最有可 能发生的失能发生的失 效模式效模式 选择适当的选择适当的 失效判据和失效判据和 设计准则设计准则 确定适用的确定适用的 设计规范标设计规范标 准准 按规范标准按规范标准 要求进行设要求进行设 计和校核计和校核 设计规范 设计规范 针对失效模式的设计理念成为反应器器设计标准的发展针对失效模式的设计理念成为反应器器

3、设计标准的发展 方向。方向。ISO16528ISO16528将失效模式归为三大类、将失效模式归为三大类、1414种失效模式。种失效模式。 失效模式 第一大类第二大类第三大类 短期失 效模式 长期失 效模式 循环失 效模式 韧性断裂 脆性断裂 疲劳断裂 蠕变断裂 腐蚀 在交变载荷作 用下，经一定 循环次数后产 生裂纹或突然 发生断裂失效 的过程 载荷作用下， 产生的应力 达到或接近 所用材料的 强度极限发 生断裂. 变形量很小、 且在壳壁中 的应力值远 低于材料强 度极限时发 生的断裂 高温下长期受 载，随时间的 增加材料不断 发生蠕变变形， 最终导致压力 容器断裂。 韧性均匀腐蚀的 减薄和局部

4、腐蚀的 凹坑引起的断裂； 脆性晶间腐蚀和 应力腐蚀引起的断 裂。 失效模式 在实际的工程设计中， 常在失效判据的基础上 引入安全系数以考虑上 述不确定因素对实际失 效的影响，从而得到与 失效判据相对应的设计 准则。 失效判据一般不能直接用 于压力容器的设计计算。 （因为压力容器在材料、 制造、检验、操作等环节 中都存在许多不确定因素。 这些不确定因素在失效判 据中并未考虑进去） 蠕变失效 设计准则 塑性失效 设计准则 疲劳失效 设计准则 弹性失效 设计准则 弹塑性失效 设计准则 脆性断裂失 效设计准则 爆破失效 设计准则 设计准则 准则准则 1 准则准则 2 准则准则 3 准则准则 4 准则准

5、则 5 准则准则 6 准则准则 7 设计准则 现在的反应器向大型化，高参数发展，失效模式现在的反应器向大型化，高参数发展，失效模式 也会发生变化（比如厚板可能比薄板更容易出现也会发生变化（比如厚板可能比薄板更容易出现 焊接失效、脆性断裂等），设计规范跟不上反应焊接失效、脆性断裂等），设计规范跟不上反应 器的发展，且规范能解决的问题有限。器的发展，且规范能解决的问题有限。 有些反应器不能确定失效模式，知道失效模式了有些反应器不能确定失效模式，知道失效模式了 但没有规范（比如沸腾床渣油加氢）但没有规范（比如沸腾床渣油加氢） 尿素合成塔 直径1400mm，厚度 110mm，主体材料16MnR,15M

6、nVR， 内衬耐腐不锈钢。重量115T， 高26.2m十个筒节。设计压力 21.57MPa，温度195度。塔体爆 炸成为三段 尿素合成塔爆破尿素合成塔爆破 后，飞出约后，飞出约300300米米 的塔体变形照片的塔体变形照片 塔体承载截面积严 重下降(尤其爆炸筒 节处环焊缝上侧) 快速断裂； 塔内介质迅 速泄漏 塔内介质爆 沸和该筒节 的爆炸 失效 模式 原因 塔在制造过程中改变了衬 里蒸汽检漏孔的原始设计 平尿素合成塔在制造过 程中，盲板材料Q235-A 的纵焊缝已被数点点焊 连接方式所代替 使氨渗漏检测介质和检漏蒸汽 很容易扩散进塔体的层板之间， 从而造成了塔体层板材料严重 的应力腐蚀开裂。

7、 塔体材料（包 括焊缝）应力 腐蚀开裂 手工焊 隔离检漏管与多层 筒体间的层板 以防检漏孔与多层 筒体层间连通 防止检漏蒸 汽与多层筒 体层间连通。 点焊 使检漏蒸汽或氨渗 漏检测介质经过未 焊接的缝隙及排气 孔等很容易地扩散 到其它层板中 造成了塔体层板材料 严重的应力腐蚀开裂 设计要求制造采用的检漏孔 聚丙烯聚合釜 釜体材质：16MnR 夹套尺寸：220010mm， 夹套材质：16MnR 釜内设计压力：4MPa 釜内设计温度：96 釜内焊缝系数：1.0 夹套设计压力：0.6MPa 夹套设计温度：110（设计改为90） 夹套焊缝系数：0.9 釜内介质：丙稀（液相）、聚丙稀（腐 蚀裕度3mm）

8、 夹套介质：冷水、热水 水水 釜体釜体 夹套夹套 下温度计套下温度计套 管管 泄漏部位泄漏部位 原设计的结构及开裂部位原设计的结构及开裂部位 改进结构及开裂部位改进结构及开裂部位 裂纹裂纹140 90 交变应力 反应釜工作时每天有6次加压-卸压、 升温-降温 结构产生交变的拉-压应力 应力集中结构总体不连续形成边缘应力 结构局部不连续造成的应力集中 疲劳成因 失效模式疲劳开裂 Al2O3 Al2O3 O2Di 反应器的工艺流程（局部）和反应器的结构示意图 一台巨大的四氢呋喃装置管壳式反 应器，检修后经清洗再正常投料重 新开车不久便发生连锁停车。从记 录仪表显示，不正常到执行停运间 隔时间为18

9、分钟。 该反应器系一台列管式固定床反应 器，反应器主体的气流圆筒内径为 5738mm,列管为252mm的无缝 管，共计35200根，上下管板之间的 高度间距为6300mm。反应器的上、 下封头为椭圆形封头，上封头的顶 部中央为反应气体的进口总管，通 入上封头后经扁形钟罩式分布器便 进入数万根反应管。管内均填充有 催化剂，上、下端均由颗粒状的 Al2O3支承住催化剂。放热反应 正常反应400度，超过450度报警。 Al2O3 Al2O3 O2Di 反应器的工艺流程（局部）和反应器的结构示意图 压降实测，发现总共有1500根管子的P值 不正常增大，说明这1500根管子均已发生 过漏盐，均应予以抽除

10、。 对上下管板1500根管子抽出后进行了外观检查和磁 粉检测，发现有许多已被超温引起的熔洞，但在管 子的对接焊缝处未见有洞或裂纹。管子表面局部色 深，也是严重超温的迹象。反应管的内壁与外壁均 未发现明显介质腐蚀现象，厚壁也未发现明显的可 检测出的减薄。 冷却剂盐是在管间（壳 程）由下至上流动 事故后发现，在反应器 的内壁出现了盐 管子已 破裂 盐的 泄漏 床层的流体阻力加大，反应气体流 通时的压降P会增大。 事故的 基本原 因 反应管内气体流量分布不均，部分管子反应气体通量偏大， 反应热释放偏多，而又无法及时得到足够冷却，因而温度 上升，直至温度升高到使管子壁温局部高达低碳钢的熔点 （约150

11、0）而出现熔洞。 管子出现熔洞后，管间的熔流进管内，必堵塞管内催化剂 颗粒间的空隙，从而使管内气体流通的阻力（P）增大。 局部管子被堵会导致整个反应器所有管子气体流动的分布， 流速过大通量过高的反应管又会升过高而再被烧熔，造成 更进一步的严重后果。 安全保障措施 将原设计的测温点由6个增加到180个。平均每个测温点监管的 反应管由3867个减少到196根，并保留2个测温点超温即报警。 该措施采用后又运行了约7年未再发生问题。 在反应管内填充催化剂时P除50mbar外，其P的下限值，颗 粒直径的精度也应严控。 巴尔的摩的CONDEA Vista 公司烷基苯装置反应器发生爆炸 在事故之前的3个月，

12、该公司的装置改变了工艺技术，不再连 续地向反应器直接添加氯化铝，改为向反应器添加粉末状铝。 在反应器内，粉末状铝与盐酸反应生成氯化铝。在装置改变工 艺之后不长时间，反应器发生了污泥样催化剂残渣的堵塞问题。 污泥沉降在反应器的底部，堵塞了底部排出管口。 污泥样品送给了一名工厂的化学家，请他提出解决污泥堵 塞问题的建议。 这名化学家首先在实验室进行了实验，检测粉状铝催化 剂是否与水发生反应，得出结论：不发生反应（装置人员知道 氯化铝与水能够发生反应，释放热量）。当用污泥样品试验时， 发现它与水发生反应，产生白色气体（氯化氢）和热量。虽然 这个化学家试验了各种含水的溶液，但是他的结论是，尽管水 能够

13、与污泥发生反应，水仍是清理反应器污泥合适的溶剂。 巴尔的摩的CONDEA Vista 公司烷基苯装置反应器发生爆炸 工程师估计了一下反应器内部固体物质的数量，并且进行了可 能的能量释放计算和水吸收产生的热量能力的计算。化学家和 工程师一同建议，按8：1的比例，尽可能快地向反应器内添加 水，来溶解这些固体物质。这个方法是基于如下考虑：快速地 添加大量的水将能够吸收反应释放的热量，使温度的升高值降 为最小。 当反应器的搅拌器运转时，向反应器添加水。控制 室的温度显示器记录了510的温升。在观察到反应器温度 平稳之后，化学家和工程师离开现场。 夜班主管指导一名操作人员向反应器通入蒸汽。在这名操作人

14、员向反应器连续地通入蒸汽之后几分钟，蒸汽与金属铝和污泥 中的氯化铝残渣发生了反应，反应器发生爆炸。 巴尔的摩的CONDEA Vista 公司烷基苯装置反应器发生爆炸 教训（1）：变更工艺的主要性 新催化剂（粉状铝）的密度高于氯化铝催化剂的密度。高密度 的物料以及最初过量添加的金属铝超出了搅拌器的搅拌能力， 结果铝沉积在反应器的底部，堵塞了位置较低的管口。 教训（2）:实验室实验和现场的差异 处理管口堵塞问题的方法具有危险性。 实验室实验产生的气体能够自由释放，而反应器虽然配有排气 管和卸压系统，但是毕竟空间有限。反应物料数量过大，物料 所占比例也大。 通过快速添加过量的反应物（水）的方式吸 收反应热量的