陳長(zhǎng)榮 顧福明 呂華亭 張亞余

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院)

高塔設(shè)備的失效分析及修復(fù)

陳長(zhǎng)榮*顧福明 呂華亭 張亞余

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院)

某石化公司萃取精餾塔在水沖洗時(shí)，發(fā)現(xiàn)在封頭和裙座的焊縫熔合線上存在貫穿裂紋。對(duì)該塔封頭材料進(jìn)行了化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、硬度檢測(cè)，并用掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)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(jì)要求，塔的開(kāi)裂屬疲勞開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guó)環(huán)保意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，以及全球化競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，化工企業(yè)向大型化發(fā)展已成趨勢(shì)。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(dòng)而引發(fā)事故的案例也頻頻發(fā)生。

據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，近十幾年，我國(guó)吉林、山東、盤(pán)錦等地的化工廠中都曾發(fā)生過(guò)大型精餾塔因風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)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(tái)塔設(shè)備進(jìn)行安裝，安裝期間有6臺(tái)塔出現(xiàn)了裂紋，且6臺(tái)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(duì)上海某石化公司塔設(shè)備開(kāi)裂案例進(jìn)行失效分析，并給出相應(yīng)的工程實(shí)際解決方案。

1 塔的現(xiàn)場(chǎng)情況和開(kāi)裂部位的外觀形貌

碳五分離裝置共有16臺(tái)塔，呈一字形排列，其中有6臺(tái)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(zhǎng)，裂紋是從外壁起裂的。其中3201B（設(shè)備編號(hào)，見(jiàn)圖1，下同）塔的高度為50.955 m，是開(kāi)裂的塔中高度最低的。比這臺(tái)塔高的3101和3203A兩臺(tái)塔沒(méi)有發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂。3102和3201A這兩臺(tái)塔的高度和開(kāi)裂的3201B塔的高度相同，也沒(méi)有出現(xiàn)開(kāi)裂。裂紋沿下封頭和裙座的連接角焊縫熔合線周向分布，開(kāi)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(kuò)展。

圖1 開(kāi)裂塔的位置

圖2 裂紋位置

圖3 內(nèi)壁裂紋

2 實(shí)驗(yàn)室分析

2.1 取樣情況

從3302塔上取長(zhǎng)度為100 mm、高度為40 mm的試樣進(jìn)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(shí)物如圖4所示。

圖4 含裂紋的實(shí)物

2.2 化學(xué)成分分析和力學(xué)性能測(cè)試

對(duì)2臺(tái)開(kāi)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(duì)比，對(duì)1臺(tái)未開(kāi)裂塔設(shè)備的封頭和焊縫也取試樣進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試。表1為材料化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果，圖5為拉伸試樣示意圖，表2為拉伸性能測(cè)試結(jié)果。測(cè)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(cè)試結(jié)果

2.3 裂紋部位金相檢驗(yàn)

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(kuò)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(shí)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(kuò)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(gè)方向開(kāi)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(dòng)，在塔的南、北方向上產(chǎn)生了交變的載荷而出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂。掃描電鏡分析表明，斷口有疲勞輝紋，這進(jìn)一步證實(shí)了塔的開(kāi)裂是疲勞斷裂所致。因此風(fēng)載荷是導(dǎo)致塔的疲勞開(kāi)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(diǎn)，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(duì)魏氏組織的評(píng)級(jí)，焊縫處的魏氏組織已經(jīng)達(dá)到最嚴(yán)重的程度 （5級(jí)）。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(duì)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(guò)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(chǎng)施工必須遵守GB 50236—1998、JB/T 4710—2005規(guī)范要求。

（2）對(duì)于塔下封頭焊縫的修復(fù)，施工前必須做焊接試驗(yàn)，且焊接試驗(yàn)須按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行試驗(yàn)。

（3）對(duì)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(guò)350～400℃的烘焙，保溫2 h。施焊時(shí)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(duì)塔下封頭裂紋用滲透 （PT）檢測(cè)作復(fù)測(cè)定位，并將復(fù)測(cè)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(kāi)裂的情況，應(yīng)劃線分段，定出編號(hào)，按編號(hào)順序施焊。若塔下封頭上是局部開(kāi)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(hào)，按編號(hào)順序施焊。采取對(duì)稱分段跳躍式施工法施工。

（8）先在內(nèi)壁對(duì)稱地用碳弧氣刨挖除裂紋 （對(duì)于采取過(guò)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(zhǎng)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(duì)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(cè)，Ⅰ級(jí)合格。同時(shí)還須對(duì)坡口兩側(cè)各 100 mm內(nèi)按 JB/T 4730.3—2005作100%超聲檢測(cè) （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(jìn)行預(yù)熱，作恒溫控制，預(yù)熱溫度大于100℃，預(yù)熱長(zhǎng)度控制在500 mm左右，現(xiàn)場(chǎng)采用測(cè)溫儀檢測(cè)。

施焊時(shí)在內(nèi)壁對(duì)稱分布位置同時(shí)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(dòng)均勻地對(duì)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(duì)封頭外壁裂紋仍然用碳弧氣刨挖除 （對(duì)影響施工的某塊立排可單獨(dú)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(duì)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(jìn)行超聲（UT）和PT檢測(cè)，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(qiáng)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(cè)，按JB/T 4730.2—2005Ⅰ級(jí)合格。

（12）對(duì)焊縫按JB/T 4730.2—2005作 100%射線 （RT）檢測(cè)，Ⅱ級(jí)合格。

（13）焊縫經(jīng)RT檢測(cè)合格后，將封頭內(nèi)壁上的焊縫余高打磨去除，平滑過(guò)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(cè)，Ⅰ級(jí)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(cè)，Ⅰ級(jí)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(duì)焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)作硬度和晶粒度檢測(cè)。

（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(cè)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(duì)裙座與封頭的連接焊縫，在補(bǔ)焊前進(jìn)行100%MT和100%UT檢測(cè)，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(cè)無(wú)裂紋再進(jìn)行補(bǔ)焊，補(bǔ)焊采用J507 ?3.2 mm焊條按工藝要求補(bǔ)焊。

（19）焊縫修復(fù)全部合格后，對(duì)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(jì)規(guī)定的腰高尺寸。

（20）對(duì)封頭與裙座的連接焊縫，按JB/T 4730.4—2005作100%磁粉（MT）檢測(cè)，Ⅰ級(jí)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(kāi)裂的位置及特征看，塔的開(kāi)裂屬疲勞開(kāi)裂。風(fēng)載或風(fēng)載導(dǎo)致的振動(dòng)是引發(fā)疲勞開(kāi)裂的載荷來(lái)源，是疲勞開(kāi)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(zhǎng)榮，男，1963年生，工程師。上海市，200062。

2012-01-20）