來誠鋒 楊元慶 姚 勇 彭澤軍

（武漢市鍋爐壓力容器檢驗研究所 武漢 430024）

壓力容器通常盛裝高低溫、高壓、易燃、易爆、有毒或有腐蝕性介質(zhì)，其原材料、制造過程中的缺陷或使用過程中的新生缺陷均會導(dǎo)致其安全性、可靠性大幅下降，甚至引起嚴重事故。2020 年，在對某樹脂生產(chǎn)企業(yè)C9 加氫裝置中的1 臺穩(wěn)定塔（如圖1 所示）首次進行定期檢驗過程中，發(fā)現(xiàn)塔體下封頭與圓錐形裙座連接角焊縫整圈斷續(xù)存在多條裂紋，裂紋最長260 mm，嚴重影響塔器的安全運行，存在重大安全隱患，須進行修復(fù)。

圖1 穩(wěn)定塔外形輪廓

1 穩(wěn)定塔主要參數(shù)

穩(wěn)定塔主要性能參數(shù)見表1，基本參數(shù)見表2。

表1 穩(wěn)定塔主要性能參數(shù)

表2 穩(wěn)定塔基本參數(shù)

2 裂紋檢出

在多種無損檢測方法中，磁粉檢測對于鐵磁性材料表面及近表面缺陷具有非常高的靈敏度[1-2]，鑒于穩(wěn)定塔裙座及下封頭材質(zhì)均為鐵磁性材料，依據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中定期檢驗的相關(guān)要求，本文對穩(wěn)定塔下封頭與裙座連接角焊縫進行100%磁粉檢測，發(fā)現(xiàn)該角焊縫表面整圈斷續(xù)存在多條裂紋，裂紋最長達260 mm，裂紋主要沿焊縫縱向分布，未擴展至焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)（見圖2）。

圖2 裙座角焊縫裂紋影像

3 裂紋原因分析

3.1 裙座角焊縫應(yīng)力分析

不同于普通的立式容器，塔器高徑比大，可簡化為底部固定的懸臂梁結(jié)構(gòu)，其主要承受自重載荷、介質(zhì)重量載荷、風(fēng)載荷、地震載荷以及塔器內(nèi)部的壓力、溫度載荷，風(fēng)載荷和地震載荷為塔器底部的主要載荷，這些側(cè)向載荷在塔殼和裙座殼截面中形成彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力，所以應(yīng)保證裙座圓筒與塔器底封頭的連接焊縫具有足夠的強度。而對一些壓力頻繁波動以及高溫度場的塔器，塔殼和裙座殼的連接處也會存在較大的交變應(yīng)力及熱疲勞應(yīng)力，從而造成疲勞破壞。

本穩(wěn)定塔運行狀態(tài)下，溫度及壓力不高且變化不大，本文未考慮其自身壓力變化導(dǎo)致的交變應(yīng)力及溫度循環(huán)變化造成的熱疲勞應(yīng)力。

考慮到穩(wěn)定塔又高又重，風(fēng)載荷對裙座連接角焊縫存在較大影響，故對該部位進行風(fēng)載荷計算，分析是否因風(fēng)載荷導(dǎo)致塔器角焊縫疲勞開裂。由SW6-2011 軟件計算，對接焊接接頭拉應(yīng)力許用值為83.52 MPa，滿足要求；風(fēng)載荷及地震載荷校核合格，設(shè)計風(fēng)速為29.62 m/s，現(xiàn)場風(fēng)速遠小于設(shè)計風(fēng)速，滿足要求。因此，該塔器裙座角焊縫應(yīng)力分析合格，風(fēng)載荷不是裙座角焊縫開裂的主要原因。

3.2 裙座角焊縫結(jié)構(gòu)分析

塔體與裙座的連接一般采用對接和搭接[3]，本穩(wěn)定塔采用對接型式。依據(jù)NB/T 47041—2014《塔式容器》[4]，裙座殼與相鄰塔殼封頭采用對接型式的連接焊縫應(yīng)為連續(xù)焊，且應(yīng)采用全焊透結(jié)構(gòu)。經(jīng)查閱該穩(wěn)定塔的《產(chǎn)品質(zhì)量證明書》，裙座角焊縫與下封頭采用對接接頭連接形式，裙座角焊縫采用手工電弧焊，選用J507、φ4.0 mm 焊條，焊后進行100%磁粉檢測，外表面未發(fā)現(xiàn)相關(guān)顯示。由此判斷，裙座角焊縫裂紋為使用過程中形成的裂紋。

鑒于本穩(wěn)定塔下封頭無拼縫，依據(jù)NB/T 47041—2014 的規(guī)定，可不在裙座殼設(shè)置缺口，經(jīng)現(xiàn)場查看，裙座殼上端未開U 形缺口，但這種情形實際上增加了裙座角焊縫對下封頭的環(huán)向約束，一定限度上導(dǎo)致使用過程中裙座角焊縫部位應(yīng)力增加。

3.3 角焊縫解剖分析

角焊縫裂紋打磨消除過程中直至焊縫根部才將裂紋完全消除，發(fā)現(xiàn)下封頭與裙座之間斷續(xù)存在最寬8 mm 的間隙，即裙座與下封頭組對過程中，裙座與封頭的間隙過大且未進行校正，從而影響了焊接質(zhì)量。裙座角焊縫裂紋消除實物見圖3。

圖3 裙座角焊縫裂紋消除實物

鑒于角焊縫底部存在未焊透以及角焊縫處風(fēng)載荷導(dǎo)致的交變應(yīng)力，判斷裂紋是由于制造中角焊縫未焊透以及使用過程中風(fēng)載荷導(dǎo)致的交變應(yīng)力共同作用造成的。

4 裂紋修復(fù)

考慮到裙座角焊縫整圈均存在裂紋，為避免返修不當(dāng)可能會造成塔器傾覆、避免裂紋擴展至封頭以及避免返修不徹底反而造成更大的危害，故制定了詳細的返修方案。鑒于此穩(wěn)定塔下封頭與裙座整圈存在斷續(xù)裂紋，故對整圈角焊縫分步驟打磨清除后進行施焊。

4.1 修復(fù)方案

此穩(wěn)定塔下封頭與裙座角焊縫修復(fù)順序如下：按圓周均分A、B、C、D 四點，先從A 點順時針修復(fù)100 mm，然后從B 點順時針修復(fù)100 mm，再從C 點順時針修復(fù)100 mm，最后從D 點順時針修復(fù)100 mm，依次修復(fù)1 圈，完成后再修復(fù)下一圈，共計約9 圈（如圖4 所示）。為防止修復(fù)過程中裂紋擴展，在裂紋兩端鉆止裂孔[5]，對角焊縫橫向方向上下各20 mm 熱影響區(qū)進行打磨，并經(jīng)磁粉探傷合格，確保裂紋消除完全。

圖4 裙座角焊縫修復(fù)次序圖

4.2 焊接材料

本文裙座角焊縫修復(fù)采用全焊透結(jié)構(gòu)[6]、氬弧焊打底、手工電弧焊蓋面的焊接方法，焊絲采用ER50-6，焊條采用E5015，從而有效保證焊接質(zhì)量，焊接材料參數(shù)見表3。

表3 焊接材料

4.3 焊接工藝參數(shù)

選擇合理的焊接工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量至關(guān)重要，本文根據(jù)焊接工藝評定制定了詳細的焊接工藝參數(shù)，見表4。

表4 焊接工藝參數(shù)

4.4 返修后形貌

裙座角焊縫返修后打磨圓滑過渡，外觀檢查未發(fā)現(xiàn)咬邊、未焊滿等外觀缺陷，并經(jīng)磁粉檢測合格，至此返修工作圓滿完成，裙座角焊縫返修效果見圖5。返修過程中沒有導(dǎo)致塔器傾斜，也沒有因為應(yīng)力集中產(chǎn)生新的缺陷，證明返修方案完全可行。

圖5 裙座角焊縫返修效果

5 結(jié)束語

塔器裙座角焊縫既承受交變載荷，又承受塔體自重，一旦存在缺陷，就可能會導(dǎo)致塔體傾覆，造成嚴重的安全事故，因此裙座角焊縫是制造及檢驗過程中的重點部位，在制造及檢驗過程中須重點關(guān)注。

1）在裙座與下封頭組對過程中，嚴格控制裙座與封頭的間隙，如遇間隙過大應(yīng)進行校正；

2）焊工應(yīng)嚴格按照焊接工藝評定及相應(yīng)的焊接工藝指導(dǎo)書進行施焊，并在焊接結(jié)束后對焊縫內(nèi)外表面進行外觀質(zhì)量檢查；

3）制造單位質(zhì)檢員應(yīng)認真履職，嚴格檢查裙座與封頭的組對間隙并對焊接外觀質(zhì)量進行檢查；

4）無損檢測人員對裙座與下封頭角焊縫進行100%表面探傷，有條件的情況下進行超聲檢測，確認焊接質(zhì)量；

5）監(jiān)督檢驗人員在現(xiàn)場檢驗過程中應(yīng)嚴格審查裙座與下封頭的組對工藝、焊接工藝評定及相應(yīng)的焊接工藝指導(dǎo)書，并對焊接成型后內(nèi)外表面的焊接質(zhì)量進行檢查；

6）定期檢驗過程中，檢驗人員應(yīng)對裙座與封頭角焊縫的內(nèi)外表面進行宏觀檢查，進行100%表面探傷，有條件的情況下進行超聲檢測。

為保證壓力容器安全運行，檢驗機構(gòu)在開展檢驗過程中要針對壓力容器特點，合理選擇檢驗方法，準確評估容器的安全狀態(tài)，消除安全隱患，為人民的生命財產(chǎn)安全保駕護航。