高塔設(shè)備的失效分析及修復(fù)

陳長榮 顧福明 呂華亭 張亞余

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院)

高塔設(shè)備的失效分析及修復(fù)

陳長榮*顧福明 呂華亭 張亞余

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院)

某石化公司萃取精餾塔在水沖洗時，發(fā)現(xiàn)在封頭和裙座的焊縫熔合線上存在貫穿裂紋。對該塔封頭材料進行了化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測試、硬度檢測，并用掃描電鏡對斷口進行了分析。結(jié)果表明,萃取精餾塔材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計要求，塔的開裂屬疲勞開裂。塔封頭和裙座連接處為不連續(xù)結(jié)構(gòu)，這就增加了發(fā)生疲勞開裂的可能性。根據(jù)失效分析，提出了可行的焊接修復(fù)方案。

焊縫 塔設(shè)備 疲勞開裂 焊接工藝 金相組織 風(fēng)載荷 修復(fù)

0 前言

高聳的圓柱形塔設(shè)備是化工與石油化工工業(yè)中廣泛應(yīng)用的設(shè)備，一般約占工廠設(shè)備投資總額的10%～25%[1]。如今隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展、各國環(huán)保意識的逐漸增強，以及全球化競爭的日益激烈，化工企業(yè)向大型化發(fā)展已成趨勢。然而，隨著高度與直徑比大的塔設(shè)備的數(shù)量逐漸增多，塔設(shè)備因風(fēng)誘導(dǎo)振動而引發(fā)事故的案例也頻頻發(fā)生。

據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計，近十幾年，我國吉林、山東、盤錦等地的化工廠中都曾發(fā)生過大型精餾塔因風(fēng)誘導(dǎo)振動而引起的事故。2009年4月中旬至7月中旬，上海某石化公司碳五分離裝置共有16臺塔設(shè)備進行安裝，安裝期間有6臺塔出現(xiàn)了裂紋，且6臺塔的裂紋位置相同，均處于裙座與塔體的連接焊縫處。本文主要針對上海某石化公司塔設(shè)備開裂案例進行失效分析，并給出相應(yīng)的工程實際解決方案。

1 塔的現(xiàn)場情況和開裂部位的外觀形貌

碳五分離裝置共有16臺塔，呈一字形排列，其中有6臺塔出現(xiàn)了裂紋，裂紋在封頭和裙座的焊縫熔合線上。圖1為發(fā)生裂紋的塔的位置。裂紋位于南北方向，外壁的裂紋比內(nèi)壁的長，裂紋是從外壁起裂的。其中3201B（設(shè)備編號，見圖1，下同）塔的高度為50.955 m，是開裂的塔中高度最低的。比這臺塔高的3101和3203A兩臺塔沒有發(fā)現(xiàn)開裂。3102和3201A這兩臺塔的高度和開裂的3201B塔的高度相同，也沒有出現(xiàn)開裂。裂紋沿下封頭和裙座的連接角焊縫熔合線周向分布，開裂分布在南北方向90°范圍內(nèi)，局部裂紋已貫穿。圖2和圖3為裂紋形貌和位置照片。在封頭和裙座的連接角焊縫的外壁處有一周向凹槽，裂紋就在該凹槽內(nèi)起裂并擴展。

圖1 開裂塔的位置

圖2 裂紋位置

圖3 內(nèi)壁裂紋

2 實驗室分析

2.1 取樣情況

從3302塔上取長度為100 mm、高度為40 mm的試樣進行分析。該處裂紋深度大約5 mm，裂紋從外壁焊縫處起裂。含裂紋的實物如圖4所示。

圖4 含裂紋的實物

2.2 化學(xué)成分分析和力學(xué)性能測試

對2臺開裂的塔設(shè)備分別取試樣分析其封頭和焊縫的化學(xué)成分。為了對比，對1臺未開裂塔設(shè)備的封頭和焊縫也取試樣進行化學(xué)成分測試。表1為材料化學(xué)成分測試結(jié)果，圖5為拉伸試樣示意圖，表2為拉伸性能測試結(jié)果。測試結(jié)果表明，封頭和焊縫的化學(xué)成分正常，封頭的力學(xué)性能符合要求。

圖5 拉伸試樣

表1 材料化學(xué)成分 （%）

表2 塔封頭試樣力學(xué)性能測試結(jié)果

2.3 裂紋部位金相檢驗

圖6、圖7為裂紋根部的金相組織照片。從圖中可以看出，裂紋恰好在熔合線上，而熔合線附近有粗大的魏氏組織。圖8為裂紋尖端金相形貌，裂紋呈穿晶擴展。封頭金相組織正常，為鐵素體和珠光體。圖9為焊縫的金相組織，有非常粗大的針狀和網(wǎng)狀魏氏組織， 從金相照片中可以看出，該焊縫焊接時焊接工藝控制不嚴(yán)格，出現(xiàn)了粗大的魏氏組織，而裂紋恰好在魏氏組織上擴展。

圖6 外壁裂紋位置金相

圖7 裂紋位置有粗大的魏氏組織

圖9 焊縫金屬粗大魏氏組織金相

2.4 斷口分析

圖10為斷口掃描電鏡形貌。由掃描電鏡也可以看到明顯的疲勞輝紋，這是疲勞斷裂的特征。

圖10 疲勞輝紋

裂紋首先在塔的南、北兩個方向開始出現(xiàn)，這與風(fēng)載荷有關(guān)。由于偏南風(fēng)導(dǎo)致了塔的南、北方向擺動，在塔的南、北方向上產(chǎn)生了交變的載荷而出現(xiàn)疲勞開裂。掃描電鏡分析表明，斷口有疲勞輝紋，這進一步證實了塔的開裂是疲勞斷裂所致。因此風(fēng)載荷是導(dǎo)致塔的疲勞開裂的力學(xué)因素。

塔下封頭和裙座連接處有一凹槽，這成為塔的薄弱環(huán)節(jié)。凹槽處存在應(yīng)力集中，而裙座又是支撐點，因此在交變載荷作用下首先在凹槽處產(chǎn)生疲勞裂紋。

焊縫處發(fā)現(xiàn)了非常粗大的魏氏組織，根據(jù)對魏氏組織的評級，焊縫處的魏氏組織已經(jīng)達(dá)到最嚴(yán)重的程度 （5級）。由于在凹槽處恰好又是焊縫的熔合線處，焊縫處又有非常粗大的魏氏組織，魏氏組織使焊縫和熱影響區(qū)變脆，容易誘發(fā)裂紋。這又增加了該處出現(xiàn)疲勞裂紋的可能。對于碳鋼焊接出現(xiàn)魏氏組織是難免的，但出現(xiàn)非常粗大的魏氏組織卻是焊接工藝控制不當(dāng)造成的。

3 返修工藝

根據(jù)上述分析，由于焊接工藝控制不嚴(yán)，裙座與封頭間的局部焊縫處出現(xiàn)了粗大的魏氏組織，因此，在修復(fù)過程中避免或減少魏氏組織的產(chǎn)生是非常重要的。采用的焊接修復(fù)工藝如下：

（1）現(xiàn)場施工必須遵守GB 50236—1998、JB/T 4710—2005規(guī)范要求。

（2）對于塔下封頭焊縫的修復(fù)，施工前必須做焊接試驗，且焊接試驗須按設(shè)計要求進行試驗。

（3）對于裂紋挖除焊接，施焊采用手工電弧焊，采取橫焊，使用J507焊條，直徑為3.2 mm打底，焊第二層直到蓋面。

（4）焊條在使用前必須經(jīng)過350～400℃的烘焙，保溫2 h。施焊時帶好焊條保溫桶，隨用隨取，防止焊條受潮影響焊接質(zhì)量。

（5）施工前針對塔下封頭裂紋用滲透 （PT）檢測作復(fù)測定位，并將復(fù)測結(jié)果記錄在案。

（6）在塔下封頭裂紋處，裝焊立排，均勻分布在殼體的外圓上，立排連接于筒體與裙座之間，材料為Q345R。

（7）若塔下封頭上是整圈開裂的情況，應(yīng)劃線分段，定出編號，按編號順序施焊。若塔下封頭上是局部開裂的情況，應(yīng)先在裂紋兩端頂部鉆?10 mm止裂孔，然后劃線分段，定出編號，按編號順序施焊。采取對稱分段跳躍式施工法施工。

（8）先在內(nèi)壁對稱地用碳弧氣刨挖除裂紋 （對于采取過應(yīng)急措施的焊縫也是同樣處理）并形成U型坡口，碳弧氣刨坡口長度500 mm，深度控制在封頭厚度的三分之二，寬度約為13 mm。

碳刨后，對坡口及坡口兩側(cè)100 mm范圍內(nèi)用砂輪打磨光潔，并去除淬硬層，坡口按JB/T 4730.5—2005作PT檢測，Ⅰ級合格。同時還須對坡口兩側(cè)各 100 mm內(nèi)按 JB/T 4730.3—2005作100%超聲檢測 （UT），不得有缺陷存在。

（9）施焊前，在內(nèi)壁修理部位采用電加熱方式進行預(yù)熱，作恒溫控制，預(yù)熱溫度大于100℃，預(yù)熱長度控制在500 mm左右，現(xiàn)場采用測溫儀檢測。

施焊時在內(nèi)壁對稱分布位置同時施焊。按焊接工藝要求采用橫焊，使用小電流、多道焊，施焊的起弧和熄弧要按圖11所示采取階梯式。按圖示要求，在最后一道蓋面焊縫上采用J507 ?2.5 mm焊條，快速堆焊一道退火焊道。最后用氧-乙炔火焰，游動均勻地對焊縫和熱影響區(qū)加熱約10 min，使修理部位緩慢冷卻。

圖11 焊縫起弧收弧

（10）內(nèi)壁焊后，對封頭外壁裂紋仍然用碳弧氣刨挖除 （對影響施工的某塊立排可單獨拆除），形成U型坡口。碳弧氣刨深度要大于封頭厚度的三分之一，必須是完全清根，并對坡口及坡口兩側(cè)100 mm范圍用砂輪打磨光潔，去除淬硬層。然后，進行超聲（UT）和PT檢測，不得有裂紋等缺陷存在。

（11）內(nèi)外壁上焊接完畢，再逐一拆除剩余立排，不得強力敲除，避免損傷殼體母材。殼體上用于固定立排的焊縫要打磨平滑，并作PT檢測，按JB/T 4730.2—2005Ⅰ級合格。

（12）對焊縫按JB/T 4730.2—2005作 100%射線 （RT）檢測，Ⅱ級合格。

（13）焊縫經(jīng)RT檢測合格后，將封頭內(nèi)壁上的焊縫余高打磨去除，平滑過渡。封頭外壁上的焊縫也要打磨光潔。

（14） 焊縫按JB/T 4730.3—2005作100%超聲(UT)檢測，Ⅰ級合格。

（15）封頭內(nèi)外壁上的焊縫打磨處，按JB/T 4730.4—2005作100%磁粉 (MT)檢測，Ⅰ級合格。

（16）塔封頭本體修理后應(yīng)在焊接接頭的內(nèi)外表面分別對焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)作硬度和晶粒度檢測。

（17）封頭本體修理完畢后，按 JB/T 4746—2002之第6.3.7條要求，做好檢測用的內(nèi)樣板，檢查封頭內(nèi)表面的形狀公差并作好記錄。

（18）對裙座與封頭的連接焊縫，在補焊前進行100%MT和100%UT檢測，不得有裂紋等線性缺陷存在。若有裂紋或線性缺陷，就用碳刨挑除，打磨后經(jīng)PT檢測無裂紋再進行補焊，補焊采用J507 ?3.2 mm焊條按工藝要求補焊。

（19）焊縫修復(fù)全部合格后，對封頭與裙座的連接焊縫在原有的基礎(chǔ)上再加焊，加焊使用J507 ?3.2 mm焊條，采用橫焊，施焊采用小電流、多道焊，確保達(dá)到設(shè)計規(guī)定的腰高尺寸。

（20）對封頭與裙座的連接焊縫，按JB/T 4730.4—2005作100%磁粉（MT）檢測，Ⅰ級合格。

4 結(jié)論

萃取精餾塔在封頭和裙座的連接角焊縫處出現(xiàn)的裂紋，從宏觀形貌、微觀形貌和開裂的位置及特征看，塔的開裂屬疲勞開裂。風(fēng)載或風(fēng)載導(dǎo)致的振動是引發(fā)疲勞開裂的載荷來源，是疲勞開裂的主要原因。局部焊縫處有粗大的魏氏組織，致使焊縫和熱影響區(qū)變脆，易誘發(fā)裂紋。

制定的焊接修復(fù)方案嚴(yán)格控制了焊接工藝，避免或減少了魏氏組織的產(chǎn)生，成功地完成了設(shè)備的修復(fù)并投入使用。

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Failure Analysis and Repair of Tower Equipment

Chen Changrong Gu Fuming Lü Huating Zhang Yayu

In a petrochemical company,through cracks were found at the weld fusion line between head and skirt of the extractive distillation column when rinsed in water.The tower head material was analyzed by chemical composition analysis,mechanical properties testing,hardness testing and fracture analysis with SEM.The results showed that the chemical composition and mechanical properties of the material were up to the standards and design requirements,and the cracks belonged to fatigue cracks.The discontinuous structure at the joint of tower head and skirt increased the possibility of fatigue cracks.According to the failure analysis,proposed a feasible welding repair scheme.

Welding;Tower equipment;Fatigue cracking;Welding process,Microstructure;Wind load;Repair

TQ 051.8

*陳長榮，男，1963年生，工程師。上海市，200062。

2012-01-20）