高压聚乙烯超高压管式反应器全寿命周期管理探讨

耿东方唐迎迎

（国能榆林化工有限公司 陕西榆林 719319）

1 概述

管式法工艺最初由BASF 公司开发，目前，该公司仍在出售技术。BASF、DSM、EniChem 和Exxon 均开发了单线能力达20万t∕a以上的现代管式反应器。目前，国内高压聚乙烯装置开车运行约30 套，总产能约450 万t∕年。高压聚乙烯反应系统有两种，一种是釜式反应器，另一种是超高压管式反应器。目前，国内选择超高压管式反应器的装置占比80%以上。高压聚乙烯工艺技术近10年在国内快速发展，近十年增加产能约240 万t∕年，占比总产能约53%，尤其是近年煤化工技术在国内得到快速发展，以国能榆林、新疆公司为代表的新型煤化工企业得到快速发展［1-2］。

超高压管式反应器是高压聚乙烯装置核心设备，其运行工况极其苛刻，操作维护难度极大。目前，超高压管式反应器全部采用进口设备。超高压管式反应器设计压力360MPa，最大操作温度300℃，设备制造难度极大。超高压管式反应器生产厂家主要集中在与高压聚乙烯专利商早期合作开发的几个少数厂家，主要品牌是德国伍德、德国巴斯夫、奥地利BHDT、美国KMT等。目前，国内还没有超高压管式反应器制造使用业绩。随着近年国内高压聚乙烯项目持续快速开展，对超高压管式反应器设备需求持续加大，由于超高压管式反应器生产厂家有限，设备、备件采购最终用户都处于一种比较被动的地位，因此，对于超高压管式反应器全寿命周期管理就显得尤为重要。

这里，以国能榆林高压聚乙烯工艺展开介绍，采用专利商Basell公司管式反应专利技术，德国Basell公司最先进的LUPOTECH TS®高压聚乙烯管式反应器技术，由德国UHDE工程公司承担工艺包设计及超高压管道详细设计，由中国寰球大庆石化工程分公司承设计。榆林化工公司LDPE 装置采用德国Basell 公司的LUPOTECH TS®高压管式反应器技术，超高压管式反应器包含预热器、反应器（其中反应器分4个区）、后冷器3个部分。以榆林化工公司LDPE 超高压管式反应器准规格为例，规格型号DN75、PN3600。超高压管式反应器由带有夹套的高压管组成，内部高压管连接在一起，设备整个放在钢结构上。夹套侧的介质和高压管侧的介质是逆向流动。不同的一列反应器满足不同的工作。超高压反应器主要指1 区42 根反应管，2 区36 根反应管，3区30根反应管，4区18根反应管，反应器预热器36根，后冷器30根，共计192根。由于LDPE 装置工艺特点，正常生产过程中，反应器操作温度在290～310℃、压力在250～270MPa。装置于2015年12月25日一次性投料试车，开车至今运行超过5年，装置中的高压反应器、预热器、后冷器由德国伍德公司生产制造［3-4］。

2 超高压管式反应器管理现状

通过调研目前国内LDPE 装置，超高压管式反应器各省管理不统一，有的省将超高压管式反应器划归为压力容器，但是在容规上对于压力超过100MPa的压力容器也未有明确要求。省特检院在办理压力容器使用证时，也仅是依据外商提供的资料给予办理压力容器使用证。

有的省份将超高压管式反应器划归为压力管道，但是容规对于超高压压力管道的定义为42MPa。办证也是类似上述情况。最新的容规已经明确，超高压管式反应器不需要办理使用证，但是对于超高压管式反应器的安全性评价仍然没有明确。国内各家紧紧依据外观检测，依据开车早的装置运行经验管理，缺乏有效的检测手段及措施，超高压管式反应器的全寿命管理仍是在探索中推进。

榆林化工LDPE装置开工至今运行整体平稳，由于装置运行特点，同时，考虑超高压管式反应器内物料发生过分解反应，部分超高压管式反应管受到高压、高温等因素影响，可能会影响超高压管式反应管使用寿命。目前，需要专业手段对超高压管式反应器安全评价，以确保超高压管式反应器运行可靠。榆林化工LDPE 装置，除R1301R1反应器的1个180°弯头及2件透镜垫于2019年7月被替换外，其他所有反应器、预热器和后冷器的高压部件均已经服役5年半以上，未作任何检测。

3 超高压管式反应器常见失效形式

超高压管式反应器装置运行中可能出现的4种损伤如下。

（1）疲劳裂纹：沿高压管和弯头轴向出现裂纹，三通（方箱）上出现裂纹，螺纹处出现裂。

（2）内表面硬化：随严重分解反应出现，硬化层深度达几毫米，裂纹可能出现在硬化层上。

（3）停车腐蚀：出现在有夹套和无夹套的管子交界，冷热交变，产生有机酸并冷凝，局部发生并发展。

（4）频繁超温超压分解对反应器影响较大，虽然目前还未有定量的研究，但是频繁的温超压分解将严重影响反应器的服役周期。

同时，超过3年的超高压管式反应器有突然失效的风险。由于超高压管式反应器极其苛刻的运行工况，在超高压管式反应器全寿命周期管理过程中，存在很大的不确定性，如何开展全寿命周期管理是一个永恒的课题，也是保证超高压管式反应器长周期平稳运行的基础。

4 超高压管式反应器全寿命管理探究

4.1 超高压管式反应器安装质量控制

超高压管式反应器的安装质量控制是超高压管式反应器全过程寿命管理探究的一项重要内容。关于超高压管式反应器安装质量控制，重点做好以下工作。

（1）做好超高压管式反应器到货验收工作。专业技术人员依据合同，清点到货超高压管式反应器部件到货情况。

（2）做好超高压管式反应器到货部件防护工作。安装期是当地的雨季，所以必须有足够的防风、防雨用品。每个小组都有防雨、防风棚，还要准备遮盖高压管道防雨棚布。当日施工前，要根据天气情况做好防风、防雨准备。螺纹法兰的安装尽量在室内进行。

（3）做好超高压管式反应器螺纹法兰的安装、组对等预安装工作。要在现场创造条件，高质量开展超高压管式反应器螺纹法兰的安装、组对等预安装工作需特别注意以下两点：一是超高压管式反应器部件防护油脂的清理时间，要保护性安装不能过早清理保护油脂，同时要防止油脂粘黏杂物；二是做好预安装后的半成品防护工作。

（4）做好超高压管式反应器法兰螺栓预紧和液压紧固工作。依据超高压管式反应器操作维护手册，需特别注意以下两点：第一，重视管托管支架的安装。螺栓预紧力施加应按给定值的25%、50%、75%、100%分步进行，最终预紧力需进行测量；第二，经验值。透镜垫同心度数据要控制在外商技术要求精度的最大范围1∕4以内。

（5）做好超高压管式反应器无应力配管安装工作。

（6）配合好超高压管式反应器吹扫工作。需提前要把超高压管式反应器安装施工方案与超高管式反应器吹扫方案一起统统，避免因吹扫频繁拆装超高压管式反应器部件。

（7）做好气密、液压试压工作。依据超高压管式反应器升压曲线进行，第一次升压对于整个超高压管式反应器系统可靠性具有重要意义，尤其是对于超高压管式反应器自增强等影响巨大。

4.2 超高压管式反应器运行维护

超高压管式反应器运行维护是全寿命周期管理中一项重要任务，主要做好以下工作。

（1）由于高压聚乙烯装置运行特点，装置运行工况极其苛刻，开停车次数相对较多，尤其装置开车初期，有的装置年开停车次数甚至到达20次以上，频繁开停车会给超高压管式反应器带来潜在的不良影响。

（2）反应器夹套热水系统水质控制，确保水质氧含量、pH 值等关键数据指标可控，防止超高压管式反应器夹套管点蚀等。

（3）尤其要关注，因超温超压分解导致的装置紧急停车，重点标记发生分解的超高压管式反应器部位，择机定期检查。

（4）要关注超高压管式反应器相关联锁投用情况，为了短期效益解除联锁运行是绝对禁止的。

4.3 超高压管式反应器安全性评价

目前，对于超高压管式反应器安全状况，缺少评价手段，尤其是现在环保压力极大的情况下，如何确保LDPE装置超高压管式反应器长周期稳定运行、如何避免反应器备件过度更换是一个亟待解决的课题。亟须一种科学的检测手段可以定量、直观地评价超高压反应器的安全状况运行状态。可以定量研究超高压管式反应器自增强变化情况（超高压反应管内壁硬化情况）、超高压管式反应器内壁腐蚀情况、破坏性晶相分析超高压反应管部分连接透镜垫硬化情况及发生分解后，分解位置对于反应管的性能影响等。目前，常用的检测方法如下。

旋转涡流检测。旋转涡流—内窥镜检测方法是由BASF 无损检测功能中心针对LDPE 装置检验开发的，能有效检测高压夹套管内表面轴向裂纹和腐蚀缺陷的检验工具。预热器、反应器、后冷器和中间冷却器的高压管通常配有水夹套，所以无法从管外侧对管内表面实施检测。而管内表面承受应力最高并与介质接触，是疲劳裂纹和腐蚀的发源地。可以从管内侧实施检测的旋转涡流和内窥镜解决了此问题。

相控阵超声波检测。相控阵超声波检测原理：相控阵（Phased Array）超声检测技术是利用延迟电路的电子技术来控制相控阵探头合成的来实现超声波发射、接收的方法。相控阵探头有多个小晶片，其每一个晶片被独立激发，根据各晶片相对于被检目标的不同声程施加不同的延迟时间，以实现声束的角度和聚焦点的变化。

目前，主要检测评价还是依赖原设备厂家，尤其是处于垄断地位的超高压管式反应器制造厂家，如BASF或UHDE 反应器专用涡流检测、相控阵超声、磁粉探伤、应力分析、破坏性晶相分析（超过压反应管部分连接透镜垫）、BASF 或UHDE 反应器评价指标、UHDE 设计指标、高清内窥镜检测、自增强分析、金属材料理化分析。

4.4 超高压管式反应器预知维护

榆林化工LDPE 装置超高压管式反应器操作压力一般在270MPa左右，最高工作压力340MPa，设计压力360MPa。超高压管式反应器运行压力极高，运行工况极其苛刻，预知维护对于超高压管式反应器长周期安全平稳运行具有重要意义，尤其是超高压管式反应器一旦失效，造成的后果将是灾难性的，这就要求超高压管式反应器专业技术管理人员具备一定的专业素养。依据超高压管式反应器运行数据收集及检测结果，科学研判推行超高压管式反应器预知检修，这里需要说明的一点，超高压管式反应器的预知检修，既要防止维修不足也要防止过度检修。具体怎样做好这项工作是一个复杂的命题，需要做好以下工作。

（1）超压管式反应器操作维护手册是重要抓手，因为超高压管式反应器的特殊性。目前，超高压管式反应器企业标准是最高标准。预知维护要严格依据操作维护手册。

（2）要借鉴开车时间早于榆林化工装置的运行维护经验，尤其要与国内同类设备用户交流，举一反三地通过运行数据及故障情况进行比对交流，为下一步决策提供充分的依据。

（3）要与原设备厂家增加信息交流，尤其是设备备件产品升级换代较快，了解超高压管式反应器的运行维护前言信息，因为超高压管式反应器部分关键数据厂家保密，最终用户无法拿到核心数据。目前，如德国伍德、巴斯夫等超高压管式反应器制造厂家都在积极开展超高压管式反应器安全性评价，如果可能，可依托原设备厂家，对榆林化工超高压管式反应器运行到一定阶段开展安全性评价。

（4）科学合理储备部分超高压反应器备件，同时，要对国内同类装置超高压管式反应器备件情况摸底，以备不时之需。

（5）由于高压聚乙烯装置运行结构特点，装置开停车次数较多，尤其要利用短暂的停车机会，定期检查超高压管式反应器管件密封点泄露情况；定期检查受压元件的腐蚀和侵蚀情况；定期检查检查反应器系统的最小壁厚情况，如果壁厚太薄，则需要及时更换备件。

（6）重视超高压管式反应器档案资料管理，建立超高压管式反应器设备技术档案，动态管控，做好超高压管式反应器原始施工数据、运行周期内关键运行参数、检修内容、安全性评价、检修记录等关键数据等的收集；定期召开专题会，分析比对，尤其是重点关注本次运行周期内变化较大的数据，重视细微的参数数据变化，做到隐患早发现早处理，严禁超高压管式反应器带病运行，确保超高压管式反应器全寿命周期安全可靠运行［5-6］。

5 结语

超高压管式反应器全寿命管理是一个动态变化的课题。对于超高压管式反应器全寿命管控，由于极其苛刻额运行条件，专业技术人员要对超高压管式反应器要心存敬畏之心，时时以如临深渊、如履薄冰的态度，以科学的运行维护方法，尊重客观规律，运用现代化检测方法，对超高压管式反应器定期开展安全评价，通过动态管控及合理的预知检修，保障超高压管式反应器全寿命周期、安全平稳、长周期运行。