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超高壓管道失效模式及防護對策研究

文檔作者：孫寶財吳恭平李滄于佳平何顏紅王小平文檔來源：甘肅省鍋爐壓力容器檢驗研究院		點擊數：	更新時間： 2024年04月29日
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162 化工機械2015扭
超高壓管道失效模式及防護對策研究8
孫寶財” 吳恭平李滄于佳平何顏紅王小平
(甘肅省鍋爐壓力容器檢驗研究院)
摘要通過分析反應管振動、開停工及生產牌號轉換循環載荷、正常服役期間的壓力和溫度波動、伺
服脈沖閥動作脈沖栽荷以及乙烯超溫分解反應等因素對超高壓聚乙烯反應管自增強殘余應力松弛的影
響。指出乙烯超溫分解是導致超高壓聚乙烯反應管自增強殘余應力松弛的主要原因，并給出了反應管
外壁腐蝕損傷機理和夾套管的失效模式。提出了防止超高壓聚乙烯反應管自增強殘余應力松弛的對
策，并指出應采取在制造過程中盡量消除反應管殘余拉應力、改善冷卻水水質及優化夾套管結構等措
施，來有效防止腐蝕損傷的發生和提高夾套管冷卻水的有效流動性，從而保證了超高壓聚乙烯反應管安
全、可靠、長周期的運行。
關鍵詞超高壓聚乙烯反應管自增強殘余應力松弛失效模式
中圖分類號TQ052．4 文獻標識碼A 文章編號0254．6094(2015)02．0162一05
超高壓管道由于常常工作在高溫高壓、管外
腐蝕情況復雜及受低周疲勞作用等環境中，因此
通常選用韌性好、強度高的低合金無縫厚壁鋼管。
目前國內外對超高壓管道的研究主要集中在超高
壓聚乙烯反應管上，其特點是細、長、厚且外帶冷
卻水夾套管，工作條件極其復雜苛刻。為提高超
高壓聚乙烯反應管承載能力和疲勞壽命，自增強
處理技術隨之被較多應用?。但隨著反應管服
役年限的延長，自增強殘余應力將會產生松弛。
筆者從反應管內外壁面及其冷卻水夾套管工作環
境著手進行分析，掌握了超高壓聚乙烯反應管自
增強殘余應力松弛規律的影響因素及其冷卻水夾
套管可能發生的各種失效模式，使得工程技術人
員在正常生產操作過程中能夠更好地采取相應的
防護對策，以保證裝置安全、可靠、長周期運行。
1 自增強殘余應力松弛
對于超高壓聚乙烯反應管而言，疲勞破壞是
其主要失效形式之一。為了滿足超高壓聚乙烯反
應管的工況要求、改善壁厚方向的應力分布、提高
服役期間的彈性區域，避免一味地提高材料強度、
增加管壁厚度，從而達到延長其疲勞壽命的目的。
一般情況下，在制造時會對其進行自增強技術處
理，以產生有益的預壓縮殘余應力。但是如前所
述，超高壓聚乙烯反應管的工作條件極其復雜苛
刻，要受到反應管振動、開停工及生產牌號轉換循
環載荷、正常服役期間的壓力和溫度波動、伺服脈
沖閥動作脈沖載荷以及管內乙烯超溫分解反應產
生的高溫熱沖擊等因素的單獨和耦合作用，均會
引起自增強殘余應力在使用過程中的松弛。2“。。
1．1 影響因素
1．1．1 反應管振動
超高壓壓縮機的往復運動和第四反應區后的
伺服脈沖閥高頻周期性的脈沖載荷是造成超高壓
聚乙烯反應管振動的根源。加之管架支撐穩固性
差及緊固螺栓松動等因素，致使超高壓聚乙烯反
應管承受振動疲勞而使其自增強殘余應力松弛。
1．1．2 開停工及生產牌號轉換循環載荷
超高壓聚乙烯反應管服役期間，在正常操作
工藝要求、非計劃停車或生產不同牌號產品時，會
經常出現大量的開停車或操作壓力和溫度波動變
化的情況，極易造成反應管自增強殘余應力的松
弛，進而導致反應管的低應力脆性破壞的發生。
*國家質檢公益性科研專項項目(201310152)，甘肅省質量技術監督局科技項目(GZJ2011005)。
$$孫寶財，男，1981年5月生，工程師。甘肅省蘭州市，730020。
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第42卷第2期化工機械163
1．1．3伺服脈沖閥動作脈沖載荷
由于反應管長且內流通截面積小，因此為防
止發生乙烯聚合物粘壁現象、合理控制反應氣體
在反應管內的停留時間，一般在反應管出口處設
置伺服脈沖閥。伺服脈沖閥在一定的脈沖持續時
間和脈沖深度下產生有規律的脈沖壓力。但與此
同時，這種有規律的高頻脈沖循環載荷將導致反
應管自增強殘余應力的松弛，反應管疲勞性能隨
之降低。
1．1．4正常服役期間的壓力和溫度波動
超高壓聚乙烯反應管的操作壓力一般在220
～335MPa之間，表1為國內部分石化企業超高壓
聚乙烯反應管設計與工作參數。在正常操作工況
下，反應管不僅要受到伺服脈沖閥的高頻壓力脈
沖，而且還會受到由于乙烯聚合反應的不均勻，致
使超高壓聚乙烯反應管長期處于有壓力波動的高
溫狀態，由此產生的疲勞失效會直接引起超高壓
聚乙烯反應管自增強殘余應力的松弛。
表1 國內部分石化企業反應管設計與工作參數
1．1．5乙烯超溫分解反應
影響超高壓聚乙烯反應管自增強殘余應力松
弛的最主要原因是內部介質乙烯的超溫分解反
應。由于反應管的正常操作溫度與乙烯發生分解
溫度基本相近，一旦應對不好就可能導致乙烯超
溫分解反應的發生：
C2H4=2C+2H2
C2H4=C+CH4
可以看出，乙烯超溫分解反應生成碳、氫氣和
甲烷。超溫分解反應一旦發生，反應熱將隨之大
量產生，反應速度將隨溫度的升高而瞬間加速。
如果此時反應熱不能被及時有效地移出，超溫分
解反應將失去控制，輕則造成大量不合格產品的
產生，造成不必要的浪費；重則可能引發生產安全
事故。乙烯超溫分解反應對超高壓聚乙烯反應管
自增強殘余應力松弛的影響非常大。超溫分解反
應不僅會使殘余應力衰減，甚至可能會使內壁殘
余應力由壓縮態轉變為拉伸態，應力分布更加不
均勻，承載能力迅速下降，疲勞強度明顯降低。
1．2 防護對策
1．2．1 加強振動監測
在日常生產巡回檢查中，要加強對超高壓聚
乙烯反應管振動值的監測，特別是對超高壓壓縮
機出口管道應作為振動監測的重點。對有松動的
緊固件及時緊固(停車后)，同時要注意保證彈簧
墊圈的壓縮量，使反應管熱膨脹時能自由伸縮。
1．2．2控制氣體雜質含量
在正常生產過程中，乙烯純度多在99．95％
以上，但有時候不可避免的可能存在一些氣體雜
質，例如氧氣、氫氣、乙炔或其他不飽和炔烴等。
若這些氣體雜質含量偏高(例如氧氣濃度大于
0．005％c時)，會干擾乙烯聚合反應的發生，使得
乙烯聚合反應表現無規律的加快而得不到控制，
往往造成乙烯分解反應的發生。為避免氣體雜質
帶來的影響，應在適當位置嚴格監控氣體雜質含
量，保證原料乙烯中的氣體雜質含量控制在允許
范圍內。
1．2．3注意引發劑、調整劑的用量
引發劑的瞬間過量注入，會造成乙烯聚合反
應的突然加劇，使得乙烯聚合反應溫度無法得到
控制而造成乙烯分解反應的發生。通常應高效配
制引發劑，時刻保持引發劑管路暢通，并在乙烯聚
合反應處于非穩定狀態時，及時操作調整引發劑
注入速率和注入量，確保乙烯聚合反應的穩定進
行。另一方面，調整劑的注入量也應得到合理控
制，避免由于注入量不足或不到位等引起的乙烯
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164 化工機械2015焦
分解反應的發生。
1．2．4合理控制反應壓力
在正常生產操作過程中，乙烯聚合反應壓力
有時會突然升高，這將會導致反應氣體的進一步
壓縮而使引發劑單體自由基濃度和乙烯單體濃度
增大。隨著反應壓力的升高，反應速率就會加快，
反應熱大量放出，從而使乙烯分解反應不可避免
地發生。通常生產操作時，應嚴格控制反應壓力，
及時將其控制在允許范圍內，特別要在生產牌號
轉換期間防止乙烯分解反應的發生。
1．2．5保證反應氣體的最小流速
理想的反應氣體流速會降低乙烯分解反應的
發生，特別是其湍流的形成，能夠有效提高熱傳遞
效率。如果在反應管內反應氣體流速達不到最小
設計要求，甚至在反應管內形成滯留態，那么乙烯
聚合反應生成的反應熱就會被蓄積起來，從而導
致乙烯分解反應的發生。通常正常生產時在保證
反應氣體的充分混合的前提下，通過伺服脈沖閥
的調節來實現所需的理想反應氣體流速。
1．2．6避免反應管粘壁現象
乙烯氣體在合適的工況下(250MPa，170℃)，
即使沒有引發劑也可能會發生自聚反應而造成反
應管的粘壁現象。一旦發生粘壁，會直接影響反
應管的熱傳遞效率，并在反應管內壁形成局部熱
點，造成乙烯分解反應的發生。為避免乙烯自聚
反應的發生，往往需要嚴格控制引發溫度并盡快
建立所有反應溫峰、合理設置反應氣體在反應管
內的停留時間、保證反應管內外溫差、在停車時避
免反應管內存有乙烯和聚乙烯，并通過對伺服脈
沖閥脈沖持續時間及脈沖深度等參數的優化調
節，特別是在生產牌號切換時，可以很好地減緩反
應管粘壁現象的發生。
1．2．7保證反應熱的及時移出
乙烯聚合反應發生時，每克乙烯分子聚合反
應會產生96．3kJ的熱量，這些熱量主要是通過夾
套管冷卻水移出。如果反應熱不能被及時移出，
則反應管的壓力和溫度將瞬間上升，此時往往造
成乙烯超溫分解反應的發生，這一過程往往在幾
十秒內就可以完成。在生產過程中，通常從提高
傳熱效率的角度來考慮將熱量及時移出，這包括
保證反應氣體在反應管內的最小流速、減緩反應
管的粘壁現象、防止夾套管內冷卻水出現流動死
區以及避免夾套管內冷卻水的汽化等方法。
2管外失效模式及防護對策
2．1 反應管外壁失效模式
2．1．1 腐蝕疲勞損傷
超高壓聚乙烯反應管外壁常常因為腐蝕介質
和殘余拉應力的共同存在而使外壁裂紋先于內壁
產生。這主要是因為超高壓聚乙烯反應管外壁表
面處于夾套管冷卻水腐蝕環境中，同時又受到反
應管內壓的周期性波動和內外壁溫差應力的疊
加，致使反應管外壁表面鈍化膜遭到破壞，進而形
成了局部集中的電化學腐蝕。裂紋通常從腐蝕坑
底部起裂并向內部擴展且成群出現，通常在很低
的應力下就可能發生，屬于典型的腐蝕疲勞損傷。
2．1．2垢下腐蝕損傷
夾套管冷卻水在循環過程中，不可避免地析
出溶解鹽而表現為硬質層附著于反應管外壁上，
其腐蝕形態為特殊的局部腐蝕。當反應管外壁表
面有局部垢層覆蓋時，由于垢層的阻塞作用，氧無
法通過縫隙或垢層微孔擴散到達垢層下的金屬本
體界面。隨著腐蝕反應的進行，垢層下變為貧氧
區，與垢層外部的本體部分形成宏觀的氧濃差電
池。特別是反應管的操作溫度比較高，這使得垢
層下的各種離子濃度富集增高，進一步加速了垢
下腐蝕。
2．2夾套管失效模式
由于超高壓聚乙烯反應管需要保證多管連
接，這使得夾套管必須在反應管連接處通過跨管
進行過渡連接。這種結構上的變化常常導致夾套
管因腐蝕損傷、沖蝕損傷及汽蝕損傷等造成冷卻
水的泄漏，嚴重影響了乙烯聚合反應熱的及時移
出‘7圳1。
2．2．1 氧腐蝕損傷
冷卻水中夾套管的腐蝕主要是由于水中的溶解
氧引起的，氧引起的腐蝕過程是一個電化學過程。
陽極反應為：
Fe—}Fe2++2e
陰極反應為：
÷02+H20+2e---+20H一
從而有：
Fe“十20H一--,Fe(OH)2 l
Fe(OH)：不穩定，進一步分解為：
Fe(OH)2+H20_+Fe(OH)3 l
Fe(OH)，進一步被氧化脫水，生成黃色的鐵
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第42卷第2期化工機械165
銹Fe203或FeOOH，即：
Fe(OH)3-+Fe203+H20
Fe(OH)3--}FeOOH+H20
沉淀物的生成，導致產生垢下腐蝕和縫隙腐
蝕。
2．2．2氯離子腐蝕損傷
夾套管冷卻水中的Cl一會破壞夾套管內表面
的金屬氧化膜保護層而形成點蝕或坑蝕。由于
Cl一具有半徑小、穿透能力強和易于被金屬表面
強吸附的特點，致使c1一更容易穿透金屬氧化膜
內孔隙而吸附在金屬表面上，吸附的c1一會取代
氧而與金屬形成可溶性氯化物。隨著時間的推
移，Cl一在點蝕或坑蝕處積聚，導致坑內金屬腐蝕
加劇。當Cl一濃度超過一定臨界值后，金屬將一
直處于活化狀態，極大地加速了腐蝕反應的速度。
2．2．3外部腐蝕損傷
外部腐蝕主要包括無保溫層的腐蝕和有保溫
層的腐蝕(CUI)，其中CUI腐蝕危害最大。CUI
腐蝕是指在敷設保溫層的破損或穿透部位有水積
聚而發生的電化學腐蝕。對于碳鋼和低合金鋼而
言，表現為均勻減薄或局部減薄。
2．2．4沖蝕損傷
由于超高壓聚乙烯反應管結構的原因，使得
冷卻水夾套管在反應管之間必須通過跨管過渡連
接。在設計上，跨管的流通面積比夾套管流通面
積小，這樣跨管內冷卻水流速就明顯高于夾套管
內的冷卻水流速，因此在跨管彎頭處沖刷相對嚴
重。同時，由于內徑的差異，在跨管與夾套管連接
處兩內側壁以及在冷卻水人口處的夾套管兩側壁
等部位的剪切應力效應造成的局部壁厚減薄也相
當嚴重。
2．2．5汽蝕損傷
根據冷卻水實際流動情況，在夾套管入水口
處常常出現冷卻水滯留現象，造成局部冷卻水的
過熱汽化和向下游熱傳遞效率的降低。過熱區溫
度接近冷卻水的汽化溫度，使得該區一直處于近
沸騰狀態，汽化所產生的大量氣泡順流向下，在夾
套管入口附近的頂部內壁發生沖擊破裂，從而形
成汽蝕，這也是造成局部壁厚減薄甚至穿孔的另
一重要原因。
2．3 防護對策
2．3．1改善冷卻水水質
冷卻水水質不良是產生腐蝕失效機理的主要
原因之一。通過采取改善冷卻水pH值、控制冷
卻水中氧含量、氯含量指標、使用分散劑減少鈣離
子污染或在冷卻水中添加緩蝕劑等方法，以使冷
卻水水質滿足工作要求。
2．3．2優化夾套管結構
在保證冷卻水冷卻效率的前提下，重新優化
夾套管直管與跨管的連接結構及跨管管徑。使跨
管能夠采用切向進水方式，以調整冷卻水流的沖
擊角度，從而降低冷卻水流對管壁的沖擊能量及
剪切應力水平；并縮短冷卻水入水口與收縮環間
距，以加強冷卻水的有效流動性，從而消除滯留死
區的形成。同時，增大跨管管徑，以降低流速，從
而減少冷卻水流對跨管入口處彎頭內側的偏流沖
刷作用。
3 結論
3．1 通過分析，反應管振動、開停工及生產牌號
轉換循環載荷、正常服役期間的壓力和溫度波動、
伺服脈沖閥動作脈沖載荷、乙烯超溫分解反應是
導致超高壓聚乙烯反應管自增強殘余應力松弛的
主要影響因素。這里需要特別指出的是乙烯超溫
分解反應，其分解反應次數的多少直接關系到自
增強殘余應力的松弛程度。在正常生產過程中，
常常通過控制反應氣體雜質含量、注意引發劑／調
整劑用量、合理控制反應壓力、保證反應氣體的最
小流速、避免反應管粘壁以及保證反應熱的及時
移出等措施來避免乙烯分解反應的發生。
3．2 腐蝕疲勞損傷、垢下腐蝕損傷是導致超高
壓聚乙烯反應管外壁裂紋先于內壁產生的主要原
因。同時，夾套管的設計結構不合理也常常導致
滯留死區的產生，嚴重影響反應熱的移出。應采
取在制造過程中盡量消除殘余拉應力，改善冷卻
水水質，優化夾套管結構等措施，以減緩夾套管內
壁面的高水平剪切應力和腐蝕疲勞的產生及夾套
管承受冷卻水沖蝕、汽蝕、氧氯環境腐蝕的單獨作
用和耦合作用。
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(收稿日期：2014．07-01)
Research of Failure Modes and Countermeasures for
Ultrahigh Pressure Pipeline
SUN Bao—cai，WU Gong-ping，LI Cang，YU Jia—ping，HE Yan—hong，WANG Xiao—ping
(Gansu Boiler and Pressure Vessel Inspection Research Institute，Lanzhou 730020，China)
Abstract The influence of factors such as reaction tube’S vibration，cyclic loading at start—up or shut—down
operation and grade transformation，both pressure and temperature fluctuations during normal service，pulse
loading of the servo valve action and the ethylene’S overtemperature decomposition reaction On the autofrettage
residual stress relaxation of ultrahigh pressure polyethylene tubular reactor were analyzed；and countermeasures
to the stress relaxation were presented，including the corrosion damage mechanism of the reaction tube’S outer
wall and the jacket pipe’S failure mode to show that，the overtemperature decomposition reaction of ethylene is
the primary cause of autofrettage residual stress relaxation；and during the course of fabrication，the tubular reactor’S
residual tension has to be eliminated and the quality of cooling water improved as well as the structure
of the jacket pipe minimized to prevent corrosion damage occurrence and to enhance liquidity of the jacketed
pipe’S cooling water SO as to ensure a safe，reliable and long-term nln of the ultrahigh pressure polyethylene
tubular reactor．
Key words ultrahigh pressure polyethylene tubular reactor，autofrettage，residual stress relaxation，failure
mode
參考文獻著錄規范
[書] 編號著者名．書名[M]．版本．出版地：出版者，出版年：頁碼．
[期刊] 編號著者名．題(篇)名[J]．于q名，出版年，卷號(期號)：頁碼．
[論文集] 編號著者名．題(篇)名[c]．整本文獻的編者ed(多編者用eds)(編)．文集名．出版地：出版者，出版
年：頁碼．
[學位論文] 編號著者名．題(篇)名[D]．保存地：學位授予單位，年．
[專利文獻] 編號專利申請者名．專利題名[P]．專利國剮：專利號，出版日期．
注：①著者姓名應列全(3個以上的只列3個，并在第3個著者名后加“等”)；
②國外作者名應將“姓”排前，“名”排君。
萬方數據

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