TDA 氢化反应釜损伤及检验技术探讨

黄 涛

（四川省宜宾市特种设备监督检验所，四川宜宾 644100）

0 引言

近年来，我国化工行业发展迅速，聚氨酯工业也不断前进，其重要原料TDA（甲苯二胺）需求量迅速增长，与TDA 生产相关的工艺和反应器开发也被关注。TDA 氢化反应釜是以DNT（二硝基甲苯）液相催化加氢反应生产TDA 工艺的关键设备，受其工艺参数和复杂介质影响，导致多种材料损伤和设备失效模式的存在，而化工设备的长期运行和超期服役现象较普遍，易产生各种再生缺陷，压力容器定期检验可及时发现设备运行中产生的设备安全隐患，是保障化工工艺连续、设备安全运行的重要环节。

针对近期检验的一台TDA 氢化反应釜定期检验方案及其实际检验情况开展分析与探讨，以寻求对该类设备制定的检验方案能基于分析该压力容器可能的损伤机理和失效模式。在此基础上制定可行、可靠的检验方案，使检验做到不滥用检验方法、不盲目增加检验项目、不遗漏检验应检内容，为设备、稳定、安全地运行提供保证。

1 氢化反应釜设备概况

近期对某化工企业TDA 氢化反应釜开展了定期检验，其基本参数如下：容器类别，三类中压反应容器；设计压力，2.8 MPa；设计温度，150 ℃；工作压力，2.1 MPa；工作温度，120 ℃；介质，TDA、DNT（DNB）、氢气、催化剂、水、甲醇、三硝基邻二甲苯；主要受压元件材料，16MnR；容器规格，Φ3220 mm×12490 mm；壁厚，筒体48 mm/封头75 mm；容积，35 m3；设计腐蚀裕度，3.0 mm；已使用年限，10 年。

2 主要损伤及失效模式

氢化反应釜中反应过程是DNT 在一定温度、压力下，在催化剂存在条件下连续加氢生成TDA。在气相（氢气）、液相、固相（镍催化剂）三相体系中运行的非均相位化反应，其循环氢纯度85%～91%，本台设备氢分压最高为2.1×0.91=1.911 MPa，操作温度为120 ℃。由于工作温度较低（＜300 ℃），根据API 纳尔逊曲线坐标查找，上述使用条件时碳钢没有可能发生高温氢损伤。因此，可以认为该台设备不存在高温氢损伤。其反应物及产品中，对设备可能造成的损伤有：①催化剂为粒状物，与反应中的物料、产品一起形成内含颗粒的浆状料随反应流程冲蚀、磨损器壁；②使用中控制不当造成设备超压；③存在设备大气腐蚀等损伤、失效模式。

（1）冲蚀、磨损损伤机理：设备物料中催化剂为固态浆状颗粒料，当颗粒存在棱角尖锐时，就形成如刀具一样的磨料，在尖端高切应力作用下，即可对金属表面造成切槽，同时流体与容器壁金属之间会产生切应力，使新鲜的金属表面暴露出来，造成快速腐蚀。

（2）超压损伤机理：物料的流动性或其能量在承压设备内处于非平衡状态时，物料和/或能量在容器内发生聚集累加，造成承载压力超过设备最大允许工作压力。

（3）大气腐蚀损伤形态：在碳钢和低合金钢遭受腐蚀时主要表现为均匀减薄或局部减薄。

3 检验项目、重点检验部位及进一步检验要求

根据其主要损伤及失效模式，拟开展以下检验项目对该压力容器进行定期检验。

3.1 宏观检验

主要采用目视方法（可以利用放大镜、内窥镜或其他辅助仪器设备、测量工具），检验压力容器本体结构、几何尺寸、表面情况（如裂纹、腐蚀、泄漏、变形）和焊缝等。根据本台设备的损伤模式，重点检查容器内壁有无划痕，接触面有无磨粒驻留，流体通道及改变流体方向及缩小流体通道位置有无腐蚀坑、沟、锐槽、蚀孔和波纹状形貌。通过宏观检验可以对该压力容器冲蚀、磨损、大气腐蚀情况进行检出和判断其损伤程度，为进一步采取检验手段提供依据。

3.2 超声测厚

在容器内、外部对容器壳体进行多点随机测厚检查。测定后标图记录，对异常测厚点做详细标记，并将实测厚度异常值中最小值处的位置尺寸标注清楚。厚度测点重点为气液两相交界部位，物料进口、流动转向、截面突变等易受腐蚀、冲蚀的部位，在制造成型时可能壁厚减薄部位和使用中易产生变形的部位，接管部位，宏观检验时发现的可疑部位等。通过超声测厚，对宏观检查中发现的该压力容器冲蚀、磨损、大气腐蚀部位和容器整体腐蚀、减薄情况进行量化指标，以对其设备承压强度能否满足设计、工作参数进行判断。

3.3 表面缺陷检测

鉴于该设备主要材料为16MnR，为铁磁性材料，故对容器对接焊缝内、外表面及热影响区、人孔及主要接管角焊缝进行MT（磁粉检测）抽查检测，且该设备内部有搅拌装置、盘管，故容器内MT 检测只能在设备筛板之上部位进行。重点检验应力集中部位、变形部位、宏观检验发现裂纹的部位、T 形接头、其他有怀疑的焊接接头，补焊区、工卡具焊迹、电弧损伤处和易产生裂纹部位。通过表面缺陷检测发现由于拘束应力、残余应力的存在而导致的宏观裂纹出现。

3.4 埋藏缺陷检测

对筒体纵、环焊缝位置进行外表面UT（普通超声检测）加TOFD（衍射时差法超声检测技术）抽检，同时对宏观检验和表面检验时发现的缺陷或异常部位，检验人员认为需要补充焊缝埋藏缺陷检测的、使用过程中补焊过的部位、使用中出现焊接接头泄漏的部位及其两端延长部位进行外表面UT 加TOFD检测。通过埋藏缺陷检测发现由于制造、焊接环节缺陷存在，未能检出或其缺陷在腐蚀、应力条件下发展而造成的超标缺陷出现。

3.5 硬度检测

如发现设备有环境开裂情形的应对开裂部位的焊缝、热影响区和母材进行硬度测定，并随机对其他部位进行硬度抽查，对硬度测定值大于200 HB 的部位进行现场金相分析，以判断其材料劣化程度。

3.6 螺栓检测

该设备人孔螺栓直径≥36 mm，故要求将人孔螺栓在逐个清洗后，宏观检验其是否存在损伤和裂纹的情况，发现异常则对其进行MT 检测。重点检验螺纹及过渡部位有无环向裂纹。为判断其螺栓材料情况，应同时进行螺栓硬度抽查。

3.7 定期检验

定期检验过程中，根据使用单位意见或检验人员根据检验情况确定设备安全状况，如有怀疑时应当进行耐压试验。该设备介质中含氢气，为易燃易爆介质，且设计资料中对气密试验有要求，故在宏观检查和无损探伤合格后需进行气密性试验。根据该设备实际运行情况结合设计资料工作压力要求，气密性试验压力取2.1 MPa。

4 检验情况及结果分析

对本次定期检验的情况及发现该压力容器存在的问题总结、分析如下。

4.1 内、外表面宏观检验

在内表面存在轻微的腐蚀及冲蚀现象（气相空间和液相空间），设备内表面局部位置存偶有发现较浅的机械接触损伤和凹坑，主要存在于筛板以下560～1000 mm 部分，对该机械接触损伤和凹坑部位打磨后测厚与周围测厚情况对比差异不大（约0.3 mm），可以判断该部位的腐蚀及溶蚀程度属于轻微。

4.2 超声测厚检测

筒体最小厚度为47.1 mm，封头最小厚度为72.0 mm，结合最近一次定期检验（2018 年），筒体最小厚度为47.5 mm，封头最小厚度为72.5 mm，按此推算减薄速度，2018—2021 年使用运行中发生了0.5 mm 的最大壁厚减薄，按此计算减薄速度为0.125 mm/a。目前最小厚度封头72.0 mm、筒体47.1 mm，其减薄均未超过其腐蚀裕量，故不影响定级。

4.3 表面无损检测

在外表面对筒体、封头交叉T 形焊缝位置和人孔及主要接管角焊缝进行了磁粉检测，在筒体、封头交叉T 形焊缝位置发现1 处表面裂纹缺陷，缺陷长度约7 mm，经打磨（磨深约1.0 mm）后消除并经MT 复检合格；在人孔接管角焊缝外表面发现1 处表面裂纹缺陷，缺陷长约10 mm，经打磨（磨深约0.5 mm）后消除并经MT 复检合格。由MT 检出表面裂纹位置及形貌可知，其裂纹形成主要是在结构不连续处产生的拘束应力和该应力与焊接成形中形成的残余应力及组织应力叠加，在制造时由于焊接不当等因素而遗留、萌生的微裂纹，微裂纹扩展致宏观裂纹出现。

4.4 UT 检测

本台设备未发现埋藏缺陷相关显示，TOFD 复检，由图谱分析亦未发现埋藏缺陷相关显示。如发现相关显示则应明确埋藏缺陷深度、缺陷类别、缺陷长度、缺陷自身高度，并按NB/T 47013—2015《承压设备无损检测》和TSG 21—2019《固定式压力容器安全技术监察规程》要求评定其级别并判断是否影响该压力容器安全状况等级评定。

需要注意的是，本台设备筒体壁厚48 mm、封头壁厚75 mm，差异较大，其设计、制造时对焊缝位置封头厚板进行了内削薄处理，故设备外表面是平齐的。在本次设备检验时对UT 检测只进行了单面单侧扫查，对TOFD 检测则考虑不同板厚分别进行了扫查。

5 结束语

通过对TDA 氢化反应釜损伤及检验技术探讨，指明了检验技术应围绕设备损伤机理予以制定，才能有目的、全面地检出设备缺陷，确保设备安全运行。

对检验过程应注意以下要点：①要把检验方案制定放在首位，在对设计、工艺、运行资料认真审查的前提下与使用单位相关人员充分沟通交流，了解待检设备工艺及使用状况，分析待检设备可能的损伤机理及失效模式，然后根据分析结果制定检验方案，使检验方案更具针对性；②注重宏观检验，应尽量开罐检验，对内外表面进行全面的宏观检验，特别是压力容器壳体外观检验，及时发现新生表面缺陷并处理，避免其发展；③要注意壁厚减薄情况，采取定点测厚的方式监控设备腐蚀减薄速率，保证容器在确定的检验周期内不发生因超预案腐蚀减薄而影响整体强度从而导致失效破坏的情况；④对埋藏缺陷的抽查要结合往次检验情况开展，通过历次定期检验抽查不同位置焊缝或复查检验中曾发现未超标缺陷位置以判断该埋藏缺陷是否扩展。