中壓汽水分離器接管角焊縫裂紋產(chǎn)生原因分析

王 十 張國晉 譚 隆 田志勇

（1.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

（2.中國石化上海高橋石油化工有限公司 上海 200129）

石化企業(yè)連續(xù)重整裝置汽水分離器屬于壓力容器范疇。隨著國內(nèi)石油化工業(yè)的迅速發(fā)展,壓力容器由于各種失效原因造成的緊急停車時(shí)有發(fā)生[1]。中壓除氧水經(jīng)加熱爐加熱汽化送往汽水分離器,除氧水在汽化過程中并未充分汽化,使生成的中壓蒸汽中有液態(tài)水存在,含液態(tài)水的兩相流水蒸氣會對管道或設(shè)備造成嚴(yán)重的沖刷減薄,影響設(shè)備或管道的安全使用[2]。汽水分離器的作用是利用氣液分離的原理分離出水蒸氣中含有的多余的水分,形成干飽和蒸汽。

壓力容器的缺陷危及其使用安全,筆者以1臺汽水分離器檢驗(yàn)為案例,對缺陷性質(zhì)及產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析,對制造工藝、檢驗(yàn)部位及比例提出了修改建議。

1 項(xiàng)目概況

該設(shè)備為臥式容器,主體由筒體、左右橢圓封頭、多處接管及底部鞍座組成,示意圖如圖1所示。設(shè)計(jì)使用壽命為10年,投入使用日期為2009年。2021年7月全面檢驗(yàn)時(shí)已超過設(shè)計(jì)使用壽命。設(shè)備基本概況見表1。

圖1 汽水分離器示意圖

表1 汽水分離器設(shè)備參數(shù)

該案例按照TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》及本單位的壓力容器檢驗(yàn)細(xì)則實(shí)施檢測,在完成規(guī)定檢驗(yàn)工作的同時(shí),分析了該設(shè)備的使用參數(shù)、失效模式、介質(zhì)特點(diǎn),增加了對接管角焊縫的100%磁粉檢測,并發(fā)現(xiàn)了大量裂紋缺陷[3-4]。該案例采用的檢驗(yàn)方案,按照檢驗(yàn)規(guī)程編制,卻又不局限于檢驗(yàn)規(guī)程,通過對設(shè)備使用情況的分析,突出了重點(diǎn)檢測部位及檢測方法、檢測比例,作為壓力容器檢驗(yàn)人員很好地踐行了檢驗(yàn)職責(zé),發(fā)揮了檢驗(yàn)的作用。

2 檢驗(yàn)實(shí)施

該設(shè)備為中壓設(shè)備,工作溫度為260 ℃,由于筒體開孔較多,采取自補(bǔ)強(qiáng)及接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致筒體及接管壁厚較大,增加了焊接難度及檢測難度。本次全面檢驗(yàn)無損檢測方法初步定為20%超聲檢測(UT)+20%磁粉檢測(MT),重點(diǎn)檢測筒體焊縫中“丁字口”位置及接管角焊縫位置,超聲檢測采用數(shù)字式超聲波探傷儀,表面無損檢測采用便攜式電磁軛探傷儀實(shí)施檢測。

全面檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)該設(shè)備循環(huán)水出口以及混合物入口接管等8道角焊縫存在10處裂紋。裂紋分布于母材、焊縫及熱影響區(qū),單條最長達(dá)40 mm,放射性裂紋區(qū)域面積最大達(dá)18 mm×15 mm,最深處達(dá)10 mm。部分缺陷見圖2,缺陷明細(xì)見表2。

圖2 缺陷裂紋

表2 缺陷明細(xì)表

3 處置措施

發(fā)現(xiàn)大量超標(biāo)缺陷后,對罐體內(nèi)外表面實(shí)施了100%UT+100%MT檢測,除接管角焊縫處,該設(shè)備A類、B類焊接接頭未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。檢驗(yàn)完成后,檢驗(yàn)單位與業(yè)主方從設(shè)備設(shè)計(jì)、制造到使用、維護(hù)進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)交流,全面了解了設(shè)備的生產(chǎn)、使用狀況,并根據(jù)檢驗(yàn)情況以意見通知書形式向業(yè)主方進(jìn)行了反饋,要求業(yè)主方聯(lián)系有資質(zhì)的維修單位進(jìn)行維修處理,維修前向當(dāng)?shù)乇O(jiān)察機(jī)構(gòu)辦理維修告知,向當(dāng)?shù)貦z驗(yàn)機(jī)構(gòu)辦理監(jiān)督檢驗(yàn)報(bào)檢手續(xù),維修完成并復(fù)檢合格后方可繼續(xù)使用。根據(jù)業(yè)主意見及維修情況,該設(shè)備檢驗(yàn)周期縮短至3年。

4 缺陷產(chǎn)生的原因分析

經(jīng)全面檢驗(yàn),該設(shè)備A類、B類焊接接頭無新生缺陷及原始缺陷擴(kuò)展現(xiàn)象,所有表面裂紋存在于接管角焊縫位置。缺陷產(chǎn)生的原因初步分析如下：

該汽水分離器,介質(zhì)為中壓蒸汽,溫度為260 ℃,介質(zhì)無腐蝕性,不會對設(shè)備造成明顯腐蝕或開裂,且裂紋缺陷產(chǎn)生在容器的外表面,非介質(zhì)原因造成；在此工作溫度下,材質(zhì)無劣化機(jī)理。

由于該設(shè)備設(shè)計(jì)壁厚大,角焊縫位置焊接難度大,缺少必要的埋藏缺陷檢測方法,致使初始焊接缺陷未能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除,致使容器“帶病運(yùn)行”。

角焊縫成形后未進(jìn)行消應(yīng)力熱處理,角接頭位置焊接殘余應(yīng)力較大；此外,角接頭位置幾何不連續(xù),使用過程中應(yīng)力集中較嚴(yán)重,導(dǎo)致在使用過程中產(chǎn)生裂紋。

設(shè)備和接管厚度較大,工作溫度較高,使用過程中溫度在厚度方向上分布不均勻,易產(chǎn)生溫差應(yīng)力,會加劇裂紋的萌生與擴(kuò)展。

壓力容器尤其是中低壓容器從設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就缺乏對C類、D類焊接接頭埋藏缺陷進(jìn)行檢測的要求[5],而在制造過程中,由于成本較高而忽視對C類、D類焊接接頭埋藏缺陷的檢測,僅能按設(shè)計(jì)規(guī)范要求進(jìn)行表面無損檢測。

案例中的設(shè)備筒體實(shí)測最小壁厚達(dá)49 mm,接管的達(dá)39 mm,完全適用于超聲檢測的要求。為保證該位置的制造質(zhì)量應(yīng)當(dāng)對該位置實(shí)施埋藏缺陷檢測,推薦采用脈沖反射法超聲檢測或相控陣超聲檢測[6]。

5 結(jié)束語

該設(shè)備為連續(xù)重整裝置中的關(guān)鍵動力設(shè)備,該設(shè)備出現(xiàn)故障將會造成全廠緊急停車,該案例及時(shí)全面地發(fā)現(xiàn)了此設(shè)備存在的嚴(yán)重缺陷,發(fā)現(xiàn)并消除了設(shè)備重大安全隱患,避免了設(shè)備在使用過程中可能發(fā)生的安全事故。

近幾年壓力容器定期檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的設(shè)備缺陷,以及部分壓力容器事故案例中的設(shè)備缺陷往往存在于接管與筒體角焊縫位置,建議：

1）在設(shè)計(jì)文件中明確接管與筒體的D類焊接接頭位置為全焊透結(jié)構(gòu),并給出焊接結(jié)構(gòu)圖；

2）相應(yīng)制造標(biāo)準(zhǔn)中增加對承受交變載荷、需要進(jìn)行焊后熱處理、盛裝極度、高度危害介質(zhì)、運(yùn)行過程中溫差應(yīng)力較大的設(shè)備D類焊接接頭埋藏檢測要求；

3）監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)則中增加對汽水分離器的D類焊接接頭內(nèi)、外部表面成型檢查及埋藏缺陷檢測結(jié)果抽檢的要求；

4）定期檢驗(yàn)規(guī)則中增加對汽水分離器設(shè)備的D類焊接接頭內(nèi)、外部表面成型檢查及埋藏缺陷檢測結(jié)果抽檢的要求。