吸附塔裂紋產(chǎn)生原因分析及修復(fù)處理

宋買官 高 博 李崇勇

（中國石油遼陽石油化纖公司機械廠 遼寧遼陽）

吸附塔是變壓吸附工藝中的關(guān)鍵設(shè)備，工作過程中需要反復(fù)承受內(nèi)部壓力波動。編號C921的吸附塔投入使用后不到3年便發(fā)生了泄漏。經(jīng)檢測后發(fā)現(xiàn)保溫層托圈與吸附塔筒體連接處出現(xiàn)了裂紋。分析裂紋產(chǎn)生原因，以便采取相應(yīng)措施。

一、吸附塔裂紋位置及情況

吸附塔如圖1所示。容器內(nèi)直徑2400 mm，主體材料Q345R，壁厚 26 mm，容積 39.49 m3，設(shè)計壓力 2.97 MPa，設(shè)計溫度60℃，工作介質(zhì)原料氣（H2、CH4等），正常工作壓力 0.02～2.6 MPa，最高工作壓力2.7 MPa，工作溫度40℃，設(shè)備操作重45 290 kg。

圖1 吸附塔

二、裂紋具體情況描述

外操人員在不間斷巡檢時感覺有聲音異常，根據(jù)經(jīng)驗判斷出現(xiàn)泄漏；經(jīng)氫氣報警儀進行檢測，確認C921吸附塔泄漏。在保溫去除后發(fā)現(xiàn)罐體中間出現(xiàn)一道裂紋，長度23 cm。用肥皂水試漏，發(fā)現(xiàn)大量氣泡，確認塔體出現(xiàn)裂紋。

三、裂紋產(chǎn)生原因

裂紋是一種非常危險的缺陷，雖然從斷裂力學(xué)的角度看，允許存在一定尺寸的裂紋。但壓力容器內(nèi)外表面的裂紋與腐蝕介質(zhì)（工作介質(zhì)或大氣）直接接觸，很容易發(fā)生腐蝕擴展，而且其擴展速率一般難以掌握，所以從偏保守的角度，不允許存在裂紋。裂紋大多存在于焊縫金屬內(nèi)，當(dāng)局部應(yīng)力超過材料極限強度時，母材中也會產(chǎn)生裂紋。裂紋處總伴隨有不同程度的應(yīng)力集中，往往由母材或焊縫金屬幾何缺口和冶金缺口的應(yīng)力集中所誘發(fā)。

圖2 C921裂紋照片

針對現(xiàn)場裂紋產(chǎn)生部位，建立吸附塔的有限元分析模型，計算和分析內(nèi)壓工作載荷和自重載荷作用下吸附塔應(yīng)力分布，按照JB 4732——1994《鋼制壓力容器-分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》附錄C的方法，對吸附塔在0.02～2.6 MPa交變內(nèi)壓作用下的疲勞壽命進行評估，從而發(fā)現(xiàn)裂紋產(chǎn)生的原因。通過對吸附塔進行有限元應(yīng)力分析、強度校核和疲勞壽命評估，結(jié)果表明5點。

（1）如果不考慮保溫層托圈局部區(qū)域影響，根據(jù)名義厚度計算，在正常操作情況下，吸附塔的上、下封頭和筒體均滿足強度要求。

（2）吸附塔的外接不連續(xù)保溫層托圈會引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中，上、下托圈區(qū)域最大應(yīng)力集中系數(shù)分別是4.92和6.18，均出現(xiàn)于托圈環(huán)板不連續(xù)端面與容器殼體連接的角焊縫根部中心。

（3）0.02～2.6 MPa交變內(nèi)壓作用下，吸附塔上托圈區(qū)域最大疲勞交變應(yīng)力強度幅值為256.41 MPa，下托圈區(qū)域最大疲勞交變應(yīng)力強度幅值為324.23 MPa，均出現(xiàn)于托圈環(huán)板不連續(xù)端面與容器殼體連接的角焊縫根部中心。

（4）根據(jù)JB 4732—1994《鋼制壓力容器-分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》附錄C，0.02～2.6 MPa交變內(nèi)壓作用下，上托圈區(qū)域最小疲勞循環(huán)次數(shù)為1.08萬次，僅為設(shè)計疲勞壽命的1.1%。下托圈區(qū)域最小疲勞循環(huán)次數(shù)為0.53萬次，不到設(shè)計疲勞壽命的0.6%。

（5）吸附塔外接不連續(xù)保溫層托圈結(jié)構(gòu)會引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中，從而顯著降低吸附塔的疲勞壽命，這是吸附塔出現(xiàn)疲勞失效的主要原因。

四、裂紋修復(fù)方案確定

經(jīng)各專業(yè)研究，結(jié)合現(xiàn)場實際，最終決定去掉筒體和封頭處保溫層托圈，打磨殘余的角焊縫至母材齊平，保證修磨區(qū)的平滑。使用砂輪修磨清除裂紋，滲透檢測或磁粉檢測確認裂紋清除干凈，見金屬光澤、除去滲碳層。焊接坡口及兩側(cè)各25 mm范圍內(nèi)除去影響焊接的油、銹、污物、滲透檢測藥劑，清理、清洗干凈后再進行補焊。

圖3 保溫層托圈與筒體焊接示意圖

采用焊條電弧焊補焊，焊前對坡口及兩側(cè)≥100 mm范圍預(yù)熱至80℃，焊工持證SMAW-FeⅢ-6G-12/75-Fef3J，不允許使用工藝所給以外的大直徑焊條。立焊時，采 用 E5015，Φ2.5 mm 或Φ3.2 mm 焊條，焊接電流I=70～90 A/90～120 A， 焊接電壓 U=22～32 V， 坡口 V焊=36～42 mm/50～55 mm/根。 焊前預(yù)熱至80℃，層溫80～120℃，焊后砂輪修磨補焊部位與周圍母材平齊。

圖4 砂輪打磨后示意圖

無損檢測。檢測范圍在返修范圍兩側(cè)端部加大50 mm，按JB/T 4730—2005進行100%超聲Ⅰ級合格，100%磁粉Ⅰ級合格。外觀清理。徹底除銹，涂底漆2遍，鐵紅醇酸底漆，每層漆膜厚度 35 μm。

五、總結(jié)

對吸附塔產(chǎn)生的裂紋，分析裂紋產(chǎn)生原因，確認吸附塔外接不連續(xù)保溫層托圈結(jié)構(gòu)引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致吸附塔出現(xiàn)裂紋。經(jīng)多次研究，采取相應(yīng)修復(fù)措施，取得圓滿檢修效果。