大型环氧乙烷反应器制造要点分析

2020-06-30赵洵王君良

石油和化工设备 2020年6期

赵洵，王君良

（1.南京三方化工设备监理有限公司，江苏南京 210000）

（2.贵州大学化学与化工学院，贵州贵阳 550025）

环氧乙烷是生产聚酯纤维和树脂的重要中间体，常温常压下是一种无色气体，爆炸极限3%～100%，浓度高时带有强烈的刺激性醚臭，划分为高度危害介质[1]。由于容易发生自爆，所以一般作为中间产品，约65%的环氧乙烷用于生产乙二醇，同时还广泛应用于石油化工、医药、纺织和合成材料等诸多领域，国内的产能尚无法满足市场需求，需要大量进口。

环氧乙烷反应器是乙烯生产链中重要设备，除作为反应的容器外还需兼顾强化传热的功能，且要求反应器内温度能够稳定地保持在适宜的水平上，列管式反应器成为环氧乙烷反应器的首选[2]。这种反应器结构传热效果好，且反映温度易控制。但由于该设备尺寸较大，结构复杂，技术要求高，并且所盛装的介质具有应力腐蚀倾向，极大地增加了大型环氧乙烷反应器的制造难度。随着装置处理规模的不断增大，所需反应器也随之大型化。而在很长的一段时期内国内所采用的大型环氧乙烷反应器均由国外进口，直至2009年经过消化吸收完成了国内首台大型环氧乙烷反应器的国产化。现将大型环氧乙烷反应器的制造要点进行整理和分析。

1 主要结构形式

典型环氧乙烷反应器的结构形式如图1所示。物料由图中管程入口（1）进入反应器，与填充在换热管内的催化剂发生氧化反应，生产的环氧乙烷由图中的管程出口排出（4）。沸水经由下环管进入壳程，在反应开始阶段为反应提供了热量，在氧化反应开始后吸收了反应产生的多余热量，保持反应器内温度的稳定[3]。

图1 典型环氧乙烷反应器结构简图

2 制造要点分析

环氧乙烷反应器管板通常需要在管程侧堆焊不锈钢焊材，为了避免堆焊过程中受热不均造成变形，可以调整堆焊的顺序和方向，严格控制堆焊层间温差、焊前预热，并在堆焊前留有适当的加工余量。由于管板管孔数量众多且对管孔的精度要求较高，导致管板在加工过程中控制反变形的难度较大，可采用不同刀具、不同给进量和不同转速对管板堆焊层及基材分层钻。在提高管板加工成品率方面，应注意工装和管板保留量的选取。换热管与管板的焊接结构，推荐采用定位胀+焊接+胀接的方式，由于壳体一般较厚，为了保证焊接质量，焊接时应采用多道焊[4]。换热管应在焊接前进行预热，焊后需缓冷，且应严格控制焊接接头的硬度。

大型环氧乙烷反应器由于尺寸超限，陆路整体运输难度较大，根据反应器的大小和运输条件，一般选择分段运输现场组焊的方式，现场再检查和耐压试验后交付使用。现场组焊对施工现场的要求较高，在制定分段运输前应确定现场的基本条件，做好组焊前的准备工作。首先，现场要预留有足够的面积，保证相应设备、到场设备和焊材等原料有序放置，且能够满足吊装要求；其次，现场地面硬化应满足反应器运输、存放及反应器水压或气压的试验要求。再次，由于该反应器施工时间较长，工序复杂、焊接量大且对焊接质量要求较高，所以现场焊材、焊接设备、局部热处理设备、检测设备、胀接设备、加工设备布置和焊材烘干等必须制定严格的制度。如埋弧自动焊焊机和轨道应根据现场条件做好预选布置，绘制简版的平面布置图。最后，对于现场的公用条件也应逐一落实。若采用水压试验给水及排水的条件，反应器焊接、热处理等所需的大容量电源等应与业主提前沟通。

现场组焊一般将分段的反应器吊装安放至现场的托辊上，将反应器筒体对正、组对和检测错边量，在满足技术要求后进行连接板的焊接。由于大型反应器的直径较大，应适当增加连接板的数量。采用SD专利技术的环氧乙烷反应器一般有两种：壳程和管程壳体材质为SA-302 Gr.C，换热管材质为SA-210 Gr.A-1，管板材质为SA-508 Gr.3；壳程和管程壳体材质为SA-302 Gr.C，换热管材质为SA-789，管板材质为SA-508 Gr.3堆焊309L和308L。采用SHELL技术的环氧乙烷反应器，壳程壳体材质一般为SA-516 Gr.70，管程壳体材质一般为SA-516 Gr.70+不锈钢复合板，换热管材质一般为SA-210 Gr.A-1，管板材质一般为SA-765 Gr[5]。考虑到材料的可焊性、厚度等特性，母材坡口加工成U型，焊接前应对焊材进行烘干、进行严格的焊接工艺评定、焊前均匀预热，焊接过程中严格遵守工艺要求，筒体B类焊缝应采用进行焊后清根，焊后及时进行消氢热处理和无损检测。

环氧乙烷反应器换热管材质多为碳钢，换热管多达近万根，到货的无缝钢管表面带有氧化层，需彻底除锈再穿管。换热管常用的除锈方法有喷砂、酸洗、抛光片和砂轮等方法，其中半自动化的抛光片打磨效率较高且除锈效果较好，适用于穿管前的除锈工序。换热管的装配一直是制约环氧乙烷反应器发展的瓶颈，文献[5]提供了一种可在管板两侧同时穿管的方法，预先采用分散对称定位换热管，将换热管以管板中心为基准按米字型穿管，缩短了穿管周期。

分段运输前，各段壳体已经在设备厂内进行了消除应力热处理，组焊后应对各环焊缝进行局部消除应力热处理。受现场条件和设备壁厚的限制，通常采用热电偶在壳体内、外壁同时加热，以保证温度达到热处理工艺的要求[6]。在布置热电偶时要避免虚接，加热带宽度、保温带宽度、热处理温度和升降温速率满足工艺文件的技术要求。可采用电磁感应加热法对管板焊接接头进行消除应力热处理，同时管板焊接接头还应进行消氢处理。

在压力容器制造行业一直存在“重射线，轻超声”的现象，随着无损检测技术的发展，TOFD检测方法被用于超限设备检测的报道逐渐增多，工程实践表明，TOFD作为可记录式的超声检测手段，具有高精度、安全性等特点，弥补了传统超声检测中受缺陷定位、方向和操作者主观认知限制等不足，TOFD检测结果较射线检测具有准确性好、检出率高和不伤害人身健康的优势。因此，推荐用于环氧乙烷反应器的组焊环焊缝的无损检测。