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大型聚乙烯反应器的国产化 侯运年 ( 中国石化宁波工程公司 兰州分公司 ， 甘肃 兰州7 3 0 0 6 0 ) 摘要： 概述 了某公 司3 0 0 k t a聚乙烯装置 中反应器从设计、 选材到制造、 安装全过程的国产化， 为 今后大型聚乙烯装置的国产化打下了良好的基础。 关键词： 聚 乙烯 ； 反应器； 设计； 制造； 国产化 中图分类号： T Q 0 5 2 5 ； T Q 0 5 0 6 文献标识码： B 文章编号： 1 0 0 1 4 8 3 7 ( 2 0 0 9 ) 0 4 0 0 3 1 一o 4 d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 0 9 04 0 0 7 Do me s t i c Re a c t o r f o r Po l y e t h y l e ne HoU Yu n n i a n ( S I N O P E C N i n g b o E n g i n e e ri n g C o mp a n y L a n z h o u B r a n c h ，L a n z h o u 7 3 0 0 6 0， C h i n a ) Abs t r a c t： Do me s t i c wo r k f o r p o l y e t h y l e n e r e a c t o r i s i n t r o d u c e d i n c l u d i n g de s i g n，c h o i c e o f ma t e ria l a n d f a b ri c a t i o n T h i s w o r k wi l l l a y a f o u n d a t i o n for b u i l d i n g d o me s t i c l a r g e p o l y e t h y l e n e p l a n t Ke y wo r ds： p o l y e t h y l e n e； r e a c t o r ； d e s i g n； f a b ric a t i o n； d o me s t i c 某 3 0 0 k t a聚乙烯装置采用 U N I V A T I O N公 司 专利技术生产全密度聚乙烯 ， 其核心设备为聚乙烯 反应器。在 T O Y O工程公 司的反应器基础设计 中， 反应器按 A S M E V I D iv I 进行设计 ， 反应器壳体材 料选用 S A 5 1 6 G r 7 0， 锻件材料选用 S A1 0 5 。由于该 设备将在中国国内使用， 故在详细设计时采用中国 规范 、 中国牌号材料进行设计 ， 并 由某公 司进行制 造， 首次实现了大型聚乙烯反应器从设计 、 材料到制 造的全过程国产化。 1 反应器设计参数和结构 该反应器技术参数见表 1 ， 其主要结构见图 1 。 全密度聚乙烯反应器为流化床式反应器， 反应 气体从反应器底部注入 ， 经导流环均匀分配至气体 分布板底部， 反应气体穿过分布板与催化剂接触进 行反应； 催化剂在床层间注人， 随聚合物的产生床层 不断升高 ， 至设定高度排至泄料系统。循环气体至 反应器顶部排出。 项目 参数 设计压力 ( M P a ) 2 9 0 9 工作压力( M P a ) 2 4 1 2 2 4 7 1 设 计温度( ) 1 7 0 工作温度( o C) 8 8 4 5 8 最低设计温度( ) 1 3 4 物料名称 循环气 、 聚乙烯树脂 全容积( I'll ) 7 6 7 腐蚀裕量( m m) 3 容器类别 三类 2反应器用材的选择 C P V T 大型聚乙烯反应器的国产化 V o 1 2 6 N 0 4 2 0 o 9 图 1 聚 乙烯反应器结构不意 在 T O Y O工程公司基础设计中 ， 反应器壳体选 用 S A 5 1 6 G r 7 0 ， 锻件选 用 S A1 0 5 。同时对反应 器主 要受压元件 的化学成分做出如下限制 ： C0 22 C =C+Mn 6+( C r +M o+V) 5+( C u+N i ) 1 5 0 43 在详细设计 中， 拟采用 1 6 Mn R板和 1 6 M n锻件 代替 S A 5 1 6 G r 7 0和 S A 1 0 5， 使反应器材料完全 国产 化。 对 比 1 6 Mn R与 S A 5 1 6 G r 7 0可看 出， S A 5 1 6 G r 7 0 化学成分与 1 6 Mn R相近 ， 对 1 6 Mn R中 M n含量控制 其下限值 ， 即可达到碳 当量要求 。1 6 Mn R硫 、 磷含 量的要求相对 S A一5 1 6材料标准要求更高 ， 能够符 合 容规 的要求； 现行标准J B 6 6 5 4中1 6 M n R和J B 4 7 2 6中 1 6 M n的碳含量、 碳当量均能满足上述 限制； 但 S A 5 1 6 G r 7 0附加 s 5夏比冲击试验项 目的冲击韧 性 较 1 6 M n R 高， 要 使 1 6 M n R 和 1 6 M n 达 到 S A 5 1 6 G r 7 0冲击韧性指标 ， 必须补充相应技术要求。 通过对 国内容器材料 1 6 M n R和 1 6 Mn产 品标 准和实际性能的考察 ， 决定在材料订货时补充一定 的技术条件 ， 使 1 6 Mn R和 1 6 Mn材料满足作 为反应 · 3 2 · 器主材的使用要求 ， 且力学性能不低于 S A 5 1 6 G r 7 0 。 在反应器技术要求 中对材料补充规定 了如下技术要 求 ： ( 1 ) 1 6 Mn R钢板以正火状态交货并使用 ； ( 2 ) 对钢板逐张进行超声检测， 质量等级不低 于 级 ； ( 3 ) 对厚度16 0 m m的 1 6 Mn R钢板逐张进行拉 伸试验 ； ( 4 ) 1 6 Mn R钢板逐张进行 一2 0夏比( V型缺 口) 冲击试验 ， 冲击功平均值 I3 4 J 。 1 6 M n锻 件按照 1 6 Mn R钢板进行 了相应 的规 定。以上规定 ， 更好地保证了以 1 6 M n R钢板为主体 材质反应器的安全运行。 焊接材料选用 J 5 0 7 R H， 保证焊接材料与母材韧 性匹配。熔敷金属的化学成分限制如下 ： C 0 1 2 ， S O 0 2 ， PO 03 在该 聚 乙 烯 反 应 器 中， 壳 体 材 料 最 终 选 用 1 6 Mn R， 厚度分别为上球封 4 8 m m、 锥壳 9 2 mm、 直 壳 6 0 m m、 下 球 封 3 2 m m。锻 件 选 用 1 6 Mn 1 1I 和 1 6 Mn I V。 3 反 应器 结构设 计 反应器为裙座支撑的圆筒型设备 ， 由上球封 、 锥 形扩大段 、 直筒段 、 下球封与裙座构成。锥形扩大段 以分离循 环气夹 带 的固体 粉粒 ； 直筒 段经半顶 角 1 2 7 5 。 ( Ma x ) 的锥段过渡至半球形封头 ， 直筒段横 截面积与扩大段球封横截面积之 比约为 1 ： 2 5 。上 球封与锥壳 、 下球封与直筒段 的连接， 采用壳体中径 对齐的结构， 使得球封与锥壳 ( 直筒) 有较长的重复 过渡段， 可 以有效地保证锥壳 与球 封的连接强度。 上球封与锥壳的连接结构见图 2 。 封头 球形封头与锥壳中径相切 锥壳 1 w L 图 2 球封与锥壳连接结构 锥壳 与直筒段的连接采用内壁对齐 的方式 ， 直 筒式裙座与下球封采用对接连接 。反应器内部设有 第 2 6卷第 4期 压 力 容 器 总第 1 9 7期 气体分布板和导流环， 气体分布板 由支撑环支撑在 反应器直筒段底部 ， 循环气 由反应器底部进入 ， 经气 体导流环 ， 均匀分布于分布板上。 作为裙座支承式直立设备 ， 除对反应器以内压 进行强度设计外 ， 需核算风载荷 、 地震载荷和管道外 力作用下反应器的强度和稳定性。由于反应器在运 行过程 中， 内部会产生非连续作用 的激振力 ， 还需对 反应器进行振动分析 ， 计算出反应器基本 自振频率 ， 反应器顶部挠度及裙座底部壳体应力， 控制在规定 范围内。 4 反应器的制造、 安装和热处理 该聚乙烯反应器最大 内直径为 8 2 3 0 m m， 总高 达 3 9 0 9 2 m m， 最大壁厚 9 2 mm， 设备净重 6 7 3 4 t ， 属 超限超重的大型设备 ， 受道路条件限制 ， 无法整体运 抵现场。因此 ， 在设计中制定了车间分段制造 ， 现场 组对环缝， 并进行整体热处理的制造方案。 4 1 车 间制造 反应器分三段在车间制造 ： 反应器上球体 ， 反应 器锥形扩大段 ， 直筒段 、 下球封 、 裙座组件 。反应器 壳体板的成型允许采用冷加工或热加工成形 。当冷 加工变形量超过 2 时必须采用热成 型； 当采用热 成形时， 成形后要求重新进行正火热处理。成形后 的壳体板 ， 采用机械方法加工坡 口并组对、 焊接。 上球封为内半径 4 1 1 5 m m， 高为 4 5 9 7 m m 的球 壳体； 设计 中考虑开孔直径及方位 ， 由上顶圆和 8个 球瓣组成 ； 球壳名义厚度 4 8 mm， 焊缝设 计为双 V 型坡 口。锥形扩大段大端与球封对接 ， 小端采用折 边结构， 折边过渡半径 4 1 0 m m， 锥壳名义厚度 9 2 m m， 采用轴向三段 ， 环 向四瓣压制成 型。考 虑锥段 厚度大， 板幅宽 ， 焊缝多， 一旦焊 接变形量超标将无 法进行校正， 焊缝坡 口设计 时采用 双 U型坡 口， 以 减少焊缝的熔敷金属量， 避免产生过大的焊接应力 及变形。直筒段 内径 5 2 0 0 m m， 壁厚 6 0 m m， 下球封 与直筒段采用 中径对 齐方式 ， 内径 2 6 1 4 mm， 壁厚 3 2 mm； 直筒段和下球 封焊缝 设计 为双 V型坡 口。 直筒段 、 下球封与裙座在车间组焊为一体。 反应器各段 组件上 的 A， 类焊接接 头在车间 按 J B 4 7 3 0进行 1 0 0 射线检测 ， 级合格。射线检 查合格后 ， 再按 J B 4 7 3 0进行 1 0 0 超声检测 ， I级 合格 。所有接管 ( 包括人孔) 与壳体 的连接焊缝在 车间进行 1 0 0 超声检测 ，I级合格。在 车间制造 的所有受压焊接接头及辅助件与受压元件焊接接头 表面 、 裙座与封头间焊接接头表面 ， 应按 J B 4 7 3 0进 行磁粉检测 ， I 级合格 。 对现场焊接的所有焊接接头， 在车间开好坡 口， 并对坡 口表 面及其削边按 J B 4 7 3 0进行磁粉检测 ， I级合格 。在车间进行预组装 ， 合格后 ， 用油漆做 出 供现场组装的标志， 并在坡 口涂上现场可以去掉的 防锈漆。 4 2 现场组焊安装 由于现场条件的限制 ， 反应器的组焊立式进行 。 首先将直筒段 、 下球封 、 裙座组件安装于已验收合格 的反应器基础之上 ， 然后起吊反应器锥形扩大段 ， 现 场焊接锥形段与直筒段的环焊缝 ， 并进行无损检测 。 由于在反应器下部安装有气体分布板 ， 采用 内燃法 进行整体消除应力热处理时， 分布板会影响喷头的 布置和传热的均匀 ， 同时分布板 在受热过程中会产 生变形翘曲， 因此制定 了在分布板安装前完成整体 消除应力热处理 的方案 ： 热处理 时将上封头与锥形 筒体点焊在一起 ， 热处理后将上封头开启 ， 吊装分布 板并焊接挡环 ， 再对上封头与锥形筒体组焊、 无损检 测 ， 并对该环向焊接接头及挡环与筒体的连接焊缝 分别进行局部消除应力热处理。 现场组焊的环 焊缝按 J B 4 7 3 0进行 1 0 0 射线 检测 ， 级合格 ； 射线检查合格后 ， 再 进行 1 0 0 超 声检测 ， I 级合格。 4 3 现 场整体 消除应 力热 处理 反应器外形庞大 ， 采用炉 内整体热处理非常困 难 ； 在设计中考虑采用内燃法式热处理方法 ： 燃烧器 安装在反应器底部 ， 经 喷嘴产生的灼热气流在反应 器内部强制对流使器壁温度趋 于均匀 ， 达到均匀加 热器壁的目的； 控温 、 测温 系统安装在反应器外 壁 上， 以确保热处理过程的稳定可控 ； 同时外壁绝热保 温以保持热处理过程 的安全 ， 高效。对于裙座与下 球封对接部位 ， 增设电加热热源， 防止由于加热不均 产生温差应力集 中。 4 4其 他 反应器整体热处理后再按 J B 4 7 3 0对 A， B类焊 接接头进行 1 0 0 超声检测 ，I级合格。水压试验 立置进行 ； 考虑由于板厚等原 因造成材料无延性转 变温度升高，提 高水压试验用 水温度不得低于 1 5 c 【 = 。水压试验后 ， 所有焊接接头表面均按 J B 4 7 3 0 再进行一次磁粉检测 ， I 级合格。 根据要求， 对反应器锥壳部分以及锥壳与上球 3 3 · 大型聚乙烯反应器的国产化 V o 1 2 6 N o 4 2 0 o 9 封间对接接头焊后打磨至与壳体 内壁平齐 ， 其余部 位对接接头应圆滑过渡至内壁 。 5 结论 ( 1 )该反应器主体材质用 1 6 M n R和 1 6 Mn锻 件代替 S A S 1 6 G r 7 0和 S A 1 0 5是成功的。不仅节省 了制造费用 ， 缩短了制造周期 ， 而且开创了采用中国 标准材料制造的大型聚乙烯反应器的先例 ； ( 2 ) 结构设计合理 ， 制造 、 安装方案切 实可行 ， 制造过程 中完全按设计方案进行 ， 保证了产 品的质 量 ； ( 3 )反应器整体热处理后， 大大降低了残余应 力 ， 说明采用内燃法进行反应器热处理是成功的， 达 到了预期的 目的； ( 4 ) 该装置在 2 0 0 5年 9月实现一次性开车成 功 ， 自开车 以来 ， 反应器操作稳定 ， 运行 良好。借鉴 该聚乙烯反应器 的成功经验 ， 又先后设计 、 制造了 3 台聚乙烯反应器 ( 其 中镇海炼化聚乙烯反应器能力 达 4 5 0 k t a ， 为 目前 国 内产 能 最大 的聚 乙烯反 应 器) ， 为大型聚乙烯装置的国产化打下坚实基础。 收稿 日期 ： 2 0 0 9 0 4 0 8 作者简介： 侯运年( 1 9 6 5一) ， 男， 高级工程师， 从事压力容器 设计审核工作 ， 多次担任聚乙烯装置容器专业负责人， 通讯 地址 ： 7 3 0 0 6 0甘肃兰州市 西固区福利西路 1 号。 ( 上接第4页 ) 焊接之后进行的 ， 但是之后要进行静水压试验 ， 而静 水压试验对于钢管 的拉伸性能有较大的影响 ， 提高 了钢管的屈服强度指标 ， 并且水压后取样相对于水 压前更接近于钢管的最终交货状态 ， 更为可取一些。 另外 ， 试验结果表明， 水压试验前后夏 比冲击和 落锤撕裂性能没有显著变化。 将在板卷矫平前 ( 人厂检验 ) 、 板卷矫平后、 成 型焊接后取样 的试验结果与钢管水压试验前后的试 验结果结合起来 ， 可以看 出， 对于螺旋钢管在不 同的 工序取样进行拉伸性能试验 ， 所得到的结果是不 同 的。卷板经过矫平 、 成型过程 ， 由于包辛格效应材料 的屈服强度指标总体上有一定程度 的下降， 再经过 静水压试验 ， 使材料受到了不 同程度的预应变 ， 屈服 强度又有相当大上升。夏比冲击和落锤撕裂性能没 有 明显受到钢管水压试验过程 的影响。 5结论 ( 1 ) 板卷矫平前后拉伸性能没有明显的差异 。 ( 2 ) 板 卷经过成 型与焊接过 程制成 螺旋钢管 后， 由于包辛格效应材料的屈服强度指标总体上有 一 定程度的下降， 但因成分、 工艺等因素的不同而有 一 定差异 ， 需进一步试验确定 。 ( 3 ) 钢管经过静水压试验后 ， 屈服强度有 明显 的上升。相对于成型和焊接后钢管 的状态， 水压试 · 3 4 · 验后钢管的状态更接近于钢管的最终交货状态 ， 建 议在钢管水压试验后取样进行力学性能试验。 ( 4 ) 试样样坯尺寸对拉伸试验性能有明显的影 响 ， 氧气切 割试样时热影 响 区按 照 2 0 m m 计算偏 小 ， 应该在 1 5 0 m m左右。 参考文献 ： 1 X i a n d e C h e n ， L a u ri e C o l l i n s ， F a t h i H a m a d ， e t c T h e E v o l u t i o n a n d De t e r mi n a t i o n o f Me c h a n i c a l P r o p e r t i e s Du r - i ng t h e Ma n u f a c t u rin g Pr o c e s s o f Hi g h St r e n g t h S pi r a l l y We l d e d P i p e A I P C 2 0 0 61 0 1 7 0 ， The 6 t hI n t e r n a t i o n al P i p e l i n e C o n f e r e n c e C S e p t e m b e r 2 52 9 ， 2 0 0 6 ， C alg a r y ，A l b e r t a，C a n a d a 2 A P I S p e c 5 L ： 2 0 0 4 ， 管线钢管规范 S 3 A S T M A 3 7 0 -2 0 0 5 ， 钢产品力学性能试验方法及定义 S 4 A P I R P 5 L 3 ： 1 9 9 6 ， 输送钢管落锤撕裂试验推荐作法 S 5 朱维斗， 李年， 杜百平包申格效应对板料与成品管屈 服强度与屈强 比的影 响 J 机械强 度 ， 2 0 0 6 ， 2 8 ( 4 ) ： 5 0 3 5 0 7 收稿 日期 ： 2 0 0 9 0 31 3 修稿 日期 ： 2 0 0 9 0 41 7 作者简介： 孙宏( 1 9 7 4一) ， 男， 工程师， 现从事石油输送钢管 试验技术工作 ， 通讯地址： 0 6 2 6 5 8河北省青县东环路 1 0 2号 钢管制造公司金属材料及制品检测中心。