吸附塔焊縫裂紋分析及預(yù)防措施

廉繼康

新疆煉化建設(shè)集團(tuán)有限公司，新疆克拉瑪依 833699

2018年5月，某石化公司煉油廠操作人員發(fā)現(xiàn)PSA吸附塔A塔、B塔之間的管道介質(zhì)流動(dòng)聲音有異常，車間通過排查，在A塔中上部保溫鐵皮接縫處發(fā)現(xiàn)有氣體向外流動(dòng)，初步判斷此處存在氫氣泄漏。車間立刻啟動(dòng)應(yīng)急，匯報(bào)調(diào)度員，并快速切除A塔泄壓，組織搭設(shè)腳手架施工，拆除鐵皮保溫進(jìn)行檢查，在A塔的上部塔壁縱焊縫處，發(fā)現(xiàn)一條裂紋。

1 裂紋與設(shè)備概況

本次發(fā)現(xiàn)的裂紋長約270 mm，其概況見圖1。本設(shè)備屬于易疲勞容器，操作壓力在-0.008～2.5MPa之間交變，年交變次數(shù)為45 000次，設(shè)計(jì)壽命為20年，材質(zhì)16 MnR（細(xì)晶粒鋼，正火）。A塔設(shè)備主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

吸附塔A于2003年設(shè)計(jì)及制造，同批吸附塔由同一廠家制造，共制作了6臺(tái)。至今在大檢修時(shí)進(jìn)行過3次全面的檢驗(yàn)，最近一次是2015年檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。為了查找裂紋形成原因及消除隱患，由專業(yè)檢驗(yàn)單位對(duì)吸附塔A焊縫進(jìn)行多儀器不同方法的檢驗(yàn)，同時(shí)對(duì)另外5臺(tái)吸附塔拆除保溫進(jìn)行抽檢。

圖1 缺陷焊縫打磨后宏觀檢查

表1 設(shè)計(jì)主要參數(shù)

2 吸附塔A的檢驗(yàn)

（1）焊縫棱角度檢查[1]。技術(shù)人員對(duì)已經(jīng)拆除保溫的6臺(tái)PSA吸附塔焊縫棱角度進(jìn)行了抽查測量，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 A塔棱角度測量數(shù)據(jù)

從現(xiàn)場抽查測量的數(shù)據(jù)來看，吸附塔A存在棱角度超標(biāo)缺陷的焊縫正是產(chǎn)生裂紋的縱焊縫，最大偏差達(dá)到5mm，其余焊縫均未超標(biāo)，最大偏差為2.5mm。

（2）壁厚測試。對(duì)筒體和封頭進(jìn)行壁厚測試，筒體壁厚15.20～16.50 mm，封頭壁厚26.33～29.26 mm，壁厚符合要求。

（3）磁粉檢測。對(duì)筒體縱環(huán)焊縫進(jìn)行100%磁粉檢測，未發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋以外的表面缺陷。

（4）相控陣檢測。對(duì)筒體縱環(huán)焊縫50%的部位采用相控陣進(jìn)行檢測，未發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋以外的缺陷。

（5）TOFD（超聲波衍射時(shí)差法）檢測。采用TOFD進(jìn)行檢測，未發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有裂紋之外其他焊縫缺陷。

（6）硬度檢測。對(duì)裂紋附近焊縫及母材進(jìn)行硬度檢測，焊縫硬度均值為HB142，母材硬度均值為HB138，硬度值符合母材硬度要求HB≤235，并且滿足焊縫硬度不大于母材125%的要求，其他部位測試硬度均無異常。

（7）金相檢驗(yàn)。母材金相組織為鐵素體加珠光體，金相組織照片見圖2；焊縫裂紋尖端金相組織為鐵素體加碳化物，有一定的魏氏體傾向，見圖3；裂紋以穿晶為主+局部沿晶裂紋，主裂紋邊緣存在少量二次微裂紋，見圖4。

圖2 母材金相組織（200×）

圖3 裂紋尖端附近金相組織

圖4 裂紋附近微裂紋金相組織

（8） 成分分析。成分分析結(jié)果見表3，GB/T 5117-2012《非合金鋼和細(xì)晶粒鋼焊條》[2]要求熔敷金屬錳含量≤1.60%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），成分分析結(jié)果符合要求。

表3 錳含量測試值（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

3 檢驗(yàn)結(jié)果分析

（1）對(duì)其他5臺(tái)設(shè)備及A塔其余無宏觀缺陷焊縫進(jìn)行抽檢，焊縫外觀及內(nèi)部均沒有發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

（2）宏觀檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)裂紋所處的焊縫部位棱角度超標(biāo)，棱角度使容器產(chǎn)生了構(gòu)造上的不連續(xù)性，在焊縫與母材過渡處引起應(yīng)力集中，棱角度的超標(biāo)使應(yīng)力更加集中，在疲勞工況下容易導(dǎo)致已存在的小缺陷擴(kuò)展，并造成最終開裂。

（3）金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)裂紋以穿晶為主，且二次裂紋較少，結(jié)合疲勞工況，分析該裂紋為疲勞裂紋。

（4）相控陣檢測發(fā)現(xiàn)裂紋立體成像內(nèi)外部長短無明顯區(qū)別。

（5）查閱設(shè)備出廠原始資料發(fā)現(xiàn)A塔出現(xiàn)裂紋的焊縫制造棱角度接近于允許偏差范圍的上限。

4 設(shè)備制造過程棱角度超標(biāo)的預(yù)防措施

根據(jù)制造廠家的調(diào)查，出現(xiàn)裂紋的焊縫A1板寬為2 660 mm，下料切割后，使用三輥卷板機(jī)進(jìn)行卷制。使用三輥對(duì)稱式卷板機(jī)卷制圓筒體時(shí)，由于該卷板機(jī)構(gòu)造的特殊性及工作原理，縱焊縫附近不可避免地存在一段直邊，直邊段的寬度及每次卷制彎度的大小完全由卷板機(jī)操作人員的技能、經(jīng)驗(yàn)及仔細(xì)程度決定。所以設(shè)備制造過程中棱角度質(zhì)量控制應(yīng)注意以下幾方面：采用四輥卷板機(jī)卷制圓筒體，從儀器設(shè)備方面減少直邊段；提高操作人員的技能水平；加強(qiáng)操作及檢驗(yàn)人員的責(zé)任心；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)制訂焊接反變形工藝。

5 結(jié)束語

根據(jù)以上分析，結(jié)合使用工況以及原始資料，認(rèn)為設(shè)備制造時(shí)，由于鋼板卷制壓弧操作不當(dāng)，致使卷板機(jī)對(duì)縱焊縫側(cè)壓弧過度，形成翻邊，焊接后棱角度已接近于超標(biāo)范圍，結(jié)合面處存在應(yīng)力集中；設(shè)備投用后，使用年限已達(dá)15年，由于操作壓力的累積交變，使得由棱角度超標(biāo)造成的焊縫應(yīng)力較嚴(yán)重地集中，經(jīng)過設(shè)備長期疲勞運(yùn)行，設(shè)備圓筒體從焊縫上的孔狀缺陷部位起裂，逐步擴(kuò)展成為穿透性裂紋。對(duì)于易疲勞容器，設(shè)備制造過程中每道工序的質(zhì)量保證都非常關(guān)鍵，任何質(zhì)量缺陷都將影響設(shè)備的使用壽命，更嚴(yán)重的將會(huì)造成質(zhì)量安全事故。