超高压管道失效模式及防护对策研究*

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)

超高压管道失效模式及防护对策研究*

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)

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载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。

超高压聚乙烯反应管 自增强 残余应力松弛 失效模式

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[1]。但随着反应管服役年限的延长，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[2～6]。

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。

1.1.3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+2H2

C2H4=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自增强残余应力松弛的影响非常大。超温分解反应不仅会使残余应力衰减，甚至可能会使内壁残余应力由压缩态转变为拉伸态，应力分布更加不均匀，承载能力迅速下降，疲劳强度明显降低。

1.2防护对策

1.2.1加强振动监测

在日常生产巡回检查中，要加强对超高压聚乙烯反应管振动值的监测，特别是对超高压压缩机出口管道应作为振动监测的重点。对有松动的紧固件及时紧固(停车后)，同时要注意保证弹簧垫圈的压缩量，使反应管热膨胀时能自由伸缩。

1.2.2控制气体杂质含量

在正常生产过程中，乙烯纯度多在99.95%以上，但有时候不可避免的可能存在一些气体杂质，例如氧气、氢气、乙炔或其他不饱和炔烃等。若这些气体杂质含量偏高(例如氧气浓度大于0.005‰时)，会干扰乙烯聚合反应的发生，使得乙烯聚合反应表现无规律的加快而得不到控制，往往造成乙烯分解反应的发生。为避免气体杂质带来的影响，应在适当位置严格监控气体杂质含量，保证原料乙烯中的气体杂质含量控制在允许范围内。

1.2.3注意引发剂、调整剂的用量

引发剂的瞬间过量注入，会造成乙烯聚合反应的突然加剧，使得乙烯聚合反应温度无法得到控制而造成乙烯分解反应的发生。通常应高效配制引发剂，时刻保持引发剂管路畅通，并在乙烯聚合反应处于非稳定状态时，及时操作调整引发剂注入速率和注入量，确保乙烯聚合反应的稳定进行。另一方面，调整剂的注入量也应得到合理控制，避免由于注入量不足或不到位等引起的乙烯分解反应的发生。

1.2.4合理控制反应压力

在正常生产操作过程中，乙烯聚合反应压力有时会突然升高，这将会导致反应气体的进一步压缩而使引发剂单体自由基浓度和乙烯单体浓度增大。随着反应压力的升高，反应速率就会加快，反应热大量放出，从而使乙烯分解反应不可避免地发生。通常生产操作时，应严格控制反应压力，及时将其控制在允许范围内，特别要在生产牌号转换期间防止乙烯分解反应的发生。

1.2.5保证反应气体的最小流速

理想的反应气体流速会降低乙烯分解反应的发生，特别是其湍流的形成，能够有效提高热传递效率。如果在反应管内反应气体流速达不到最小设计要求，甚至在反应管内形成滞留态，那么乙烯聚合反应生成的反应热就会被蓄积起来，从而导致乙烯分解反应的发生。通常正常生产时在保证反应气体的充分混合的前提下，通过伺服脉冲阀的调节来实现所需的理想反应气体流速。

1.2.6避免反应管粘壁现象

乙烯气体在合适的工况下(250MPa，170℃)，即使没有引发剂也可能会发生自聚反应而造成反应管的粘壁现象。一旦发生粘壁，会直接影响反应管的热传递效率，并在反应管内壁形成局部热点，造成乙烯分解反应的发生。为避免乙烯自聚反应的发生，往往需要严格控制引发温度并尽快建立所有反应温峰、合理设置反应气体在反应管内的停留时间、保证反应管内外温差、在停车时避免反应管内存有乙烯和聚乙烯，并通过对伺服脉冲阀脉冲持续时间及脉冲深度等参数的优化调节，特别是在生产牌号切换时，可以很好地减缓反应管粘壁现象的发生。

1.2.7保证反应热的及时移出

乙烯聚合反应发生时，每克乙烯分子聚合反应会产生96.3kJ的热量，这些热量主要是通过夹套管冷却水移出。如果反应热不能被及时移出，则反应管的压力和温度将瞬间上升，此时往往造成乙烯超温分解反应的发生，这一过程往往在几十秒内就可以完成。在生产过程中，通常从提高传热效率的角度来考虑将热量及时移出，这包括保证反应气体在反应管内的最小流速、减缓反应管的粘壁现象、防止夹套管内冷却水出现流动死区以及避免夹套管内冷却水的汽化等方法。

2 管外失效模式及防护对策

2.1反应管外壁失效模式

2.1.1腐蚀疲劳损伤

超高压聚乙烯反应管外壁常常因为腐蚀介质和残余拉应力的共同存在而使外壁裂纹先于内壁产生。这主要是因为超高压聚乙烯反应管外壁表面处于夹套管冷却水腐蚀环境中，同时又受到反应管内压的周期性波动和内外壁温差应力的叠加，致使反应管外壁表面钝化膜遭到破坏，进而形成了局部集中的电化学腐蚀。裂纹通常从腐蚀坑底部起裂并向内部扩展且成群出现，通常在很低的应力下就可能发生，属于典型的腐蚀疲劳损伤。

2.1.2垢下腐蚀损伤

夹套管冷却水在循环过程中，不可避免地析出溶解盐而表现为硬质层附着于反应管外壁上，其腐蚀形态为特殊的局部腐蚀。当反应管外壁表面有局部垢层覆盖时，由于垢层的阻塞作用，氧无法通过缝隙或垢层微孔扩散到达垢层下的金属本体界面。随着腐蚀反应的进行，垢层下变为贫氧区，与垢层外部的本体部分形成宏观的氧浓差电池。特别是反应管的操作温度比较高，这使得垢层下的各种离子浓度富集增高，进一步加速了垢下腐蚀。

2.2夹套管失效模式

由于超高压聚乙烯反应管需要保证多管连接，这使得夹套管必须在反应管连接处通过跨管进行过渡连接。这种结构上的变化常常导致夹套管因腐蚀损伤、冲蚀损伤及汽蚀损伤等造成冷却水的泄漏，严重影响了乙烯聚合反应热的及时移出[7～10]。

2.2.1氧腐蚀损伤

冷却水中夹套管的腐蚀主要是由于水中的溶解氧引起的，氧引起的腐蚀过程是一个电化学过程。

阳极反应为：

Fe→Fe2++2e

阴极反应为：

从而有：

Fe2++2OH-→Fe(OH)2↓

Fe(OH)2不稳定，进一步分解为：

Fe(OH)2+H2O→Fe(OH)3↓

Fe(OH)3进一步被氧化脱水，生成黄色的铁锈Fe2O3或FeOOH，即：

Fe(OH)3→Fe2O3+H2O

Fe(OH)3→FeOOH+H2O

沉淀物的生成，导致产生垢下腐蚀和缝隙腐蚀。

2.2.2氯离子腐蚀损伤

夹套管冷却水中的Cl-会破坏夹套管内表面的金属氧化膜保护层而形成点蚀或坑蚀。由于Cl-具有半径小、穿透能力强和易于被金属表面强吸附的特点，致使Cl-更容易穿透金属氧化膜内孔隙而吸附在金属表面上，吸附的Cl-会取代氧而与金属形成可溶性氯化物。随着时间的推移，Cl-在点蚀或坑蚀处积聚，导致坑内金属腐蚀加剧。当Cl-浓度超过一定临界值后，金属将一直处于活化状态，极大地加速了腐蚀反应的速度。

2.2.3外部腐蚀损伤

外部腐蚀主要包括无保温层的腐蚀和有保温层的腐蚀(CUI)，其中CUI腐蚀危害最大。CUI腐蚀是指在敷设保温层的破损或穿透部位有水积聚而发生的电化学腐蚀。对于碳钢和低合金钢而言，表现为均匀减薄或局部减薄。

2.2.4冲蚀损伤

由于超高压聚乙烯反应管结构的原因，使得冷却水夹套管在反应管之间必须通过跨管过渡连接。在设计上，跨管的流通面积比夹套管流通面积小，这样跨管内冷却水流速就明显高于夹套管内的冷却水流速，因此在跨管弯头处冲刷相对严重。同时，由于内径的差异，在跨管与夹套管连接处两内侧壁以及在冷却水入口处的夹套管两侧壁等部位的剪切应力效应造成的局部壁厚减薄也相当严重。

2.2.5汽蚀损伤

根据冷却水实际流动情况，在夹套管入水口处常常出现冷却水滞留现象，造成局部冷却水的过热汽化和向下游热传递效率的降低。过热区温度接近冷却水的汽化温度，使得该区一直处于近沸腾状态，汽化所产生的大量气泡顺流向下，在夹套管入口附近的顶部内壁发生冲击破裂，从而形成汽蚀，这也是造成局部壁厚减薄甚至穿孔的另一重要原因。

2.3防护对策

2.3.1改善冷却水水质

冷却水水质不良是产生腐蚀失效机理的主要原因之一。通过采取改善冷却水pH值、控制冷却水中氧含量、氯含量指标、使用分散剂减少钙离子污染或在冷却水中添加缓蚀剂等方法，以使冷却水水质满足工作要求。

2.3.2优化夹套管结构

在保证冷却水冷却效率的前提下，重新优化夹套管直管与跨管的连接结构及跨管管径。使跨管能够采用切向进水方式，以调整冷却水流的冲击角度，从而降低冷却水流对管壁的冲击能量及剪切应力水平；并缩短冷却水入水口与收缩环间距，以加强冷却水的有效流动性，从而消除滞留死区的形成。同时，增大跨管管径，以降低流速，从而减少冷却水流对跨管入口处弯头内侧的偏流冲刷作用。

3 结论

3.1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载荷、乙烯超温分解反应是导致超高压聚乙烯反应管自增强残余应力松弛的主要影响因素。这里需要特别指出的是乙烯超温分解反应，其分解反应次数的多少直接关系到自增强残余应力的松弛程度。在正常生产过程中，常常通过控制反应气体杂质含量、注意引发剂/调整剂用量、合理控制反应压力、保证反应气体的最小流速、避免反应管粘壁以及保证反应热的及时移出等措施来避免乙烯分解反应的发生。

3.2腐蚀疲劳损伤、垢下腐蚀损伤是导致超高压聚乙烯反应管外壁裂纹先于内壁产生的主要原因。同时，夹套管的设计结构不合理也常常导致滞留死区的产生，严重影响反应热的移出。应采取在制造过程中尽量消除残余拉应力，改善冷却水水质，优化夹套管结构等措施，以减缓夹套管内壁面的高水平剪切应力和腐蚀疲劳的产生及夹套管承受冷却水冲蚀、汽蚀、氧氯环境腐蚀的单独作用和耦合作用。

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ResearchofFailureModesandCountermeasuresforUltrahighPressurePipeline

SUN Bao-cai, WU Gong-ping, LI Cang, YU Jia-ping, HE Yan-hong, WANG Xiao-ping

(GansuBoilerandPressureVesselInspectionResearchInstitute,Lanzhou730020,China)

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 run of the ultrahigh pressure polyethylene tubular reactor.

ultrahigh pressure polyethylene tubular reactor, autofrettage, residual stress relaxation, failure mode

*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。

TQ052.4

A

0254-6094(2015)02-0162-05

2014-07-01)

参考文献著录规范

[书] 编号 著者名.书名[M].版本.出版地:出版者,出版年：页码.

[期刊] 编号 著者名.题(篇)名[J].刊名,出版年,卷号(期号): 页码.

[论文集] 编号 著者名.题(篇)名[C].整本文献的编者ed(多编者用eds)(编).文集名.出版地:出版者,出版年:页码.

[学位论文] 编号 著者名.题(篇)名[D].保存地：学位授予单位,年.

[专利文献] 编号 专利申请者名.专利题名[P].专利国别：专利号,出版日期.

注：①著者姓名应列全(3个以上的只列3个，并在第3个著者名后加“等”)；

②国外作者名应将“姓”排前，“名”排后。