甲醇合成塔焊縫產(chǎn)生裂紋的原因分析及修復(fù)

武大勇，申巖迎，吉新杰

(新鄉(xiāng)中新化工有限責(zé)任公司，河南 新鄉(xiāng) 453800)

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甲醇合成塔焊縫產(chǎn)生裂紋的原因分析及修復(fù)

武大勇，申巖迎，吉新杰

(新鄉(xiāng)中新化工有限責(zé)任公司，河南 新鄉(xiāng) 453800)

介紹了甲醇合成塔的主要技術(shù)參數(shù)以及B6焊縫產(chǎn)生裂紋的狀況，分析了甲醇合成塔B6焊縫產(chǎn)生裂紋的原因，并制定了現(xiàn)場修復(fù)方案，總結(jié)了修復(fù)經(jīng)驗(yàn)及應(yīng)注意的事項(xiàng)。

甲醇合成塔；B6焊縫；裂紋；修復(fù)；熱處理；探傷

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.016

甲醇合成塔是甲醇裝置生產(chǎn)中的核心設(shè)備，該設(shè)備屬三類壓力容器，管程介質(zhì)為合成工藝氣，主要成分為易燃易爆的CO、H2混合氣體，殼程介質(zhì)為脫鹽水，壓力5.0MPa，溫度250℃，一旦發(fā)生泄漏事故，不僅會(huì)造成生產(chǎn)系統(tǒng)停車，還可能帶來人員傷亡事故[1]。新鄉(xiāng)中新化工有限責(zé)任公司的甲醇合成塔于2011年9月投入使用，在2016年6月，筒體與下管板連接環(huán)焊縫(以下稱B6焊縫)上方熱影響區(qū)出現(xiàn)蒸汽外漏，該公司立即停車檢查。對(duì)B6焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行UT檢查，發(fā)現(xiàn)B6焊縫及上方熱影響區(qū)存在較多縱向裂紋，嚴(yán)重危及設(shè)備的安全使用。該公司立即與蘇州天沃科技股份有限公司以及南京三方化工設(shè)備監(jiān)理有限公司一起對(duì)B6焊縫裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，并制定返修方案，包括返修過程中的注意事項(xiàng)。

1 甲醇合成塔結(jié)構(gòu)及主要工藝參數(shù)

該甲醇合成塔是典型的水冷型Lurgi甲醇合成反應(yīng)器，管殼式的結(jié)構(gòu)。管內(nèi)裝催化劑，管間用脫鹽水，用很大的換熱面積來移去反應(yīng)熱，達(dá)到接近等溫反應(yīng)的目的。但該反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上下管板處聯(lián)結(jié)點(diǎn)和焊點(diǎn)多，制作困難，為防止殼體和管板、管板和反應(yīng)管之間殘余應(yīng)力，對(duì)材料及制造方面的要求較高。甲醇合成塔簡圖見圖1。

圖1 甲醇合成塔結(jié)構(gòu)示意

該甲醇合成塔尺寸為φ4 000mm×60mm，其受壓元件所采用的材料為：殼程筒體材料為13MnNiMoNbR，管板材料為20MnMoNbⅣ。設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 甲醇合成塔工藝參數(shù)

2 B6環(huán)焊縫裂紋狀況

在設(shè)備運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)B6焊縫上方出現(xiàn)砂眼狀蒸汽泄漏，泄漏位置處于B6焊縫熱影響區(qū)。出現(xiàn)泄漏情況后，該公司立即停車進(jìn)行UT檢測，發(fā)現(xiàn)B6焊縫及焊縫上方熱影響區(qū)存在較多裂紋，無規(guī)則地分布在整條環(huán)焊縫及熱影響區(qū)，大多數(shù)為垂直于焊縫的縱向裂紋(見圖2)，極少數(shù)為平行于焊縫的橫向裂紋；大多數(shù)裂紋長度為20～50mm，集中在焊縫范圍內(nèi)，極少數(shù)裂紋延伸至熱影響區(qū)內(nèi)；除發(fā)生泄漏處裂紋貫穿殼程筒體外，其余裂紋深度距筒體外壁約10～20mm處，未出現(xiàn)穿透筒體現(xiàn)象，但多數(shù)裂紋已經(jīng)裂至筒體內(nèi)壁，嚴(yán)重影響焊縫的強(qiáng)度。

圖2 B6焊縫縱向裂紋

3 B6焊縫裂紋原因分析

該甲醇合成塔殼程介質(zhì)為脫鹽水，經(jīng)過了嚴(yán)格地除氧、除氯處理，且其他焊縫均未出現(xiàn)裂紋等缺陷，故不存在介質(zhì)腐蝕問題。由于受限于空間結(jié)構(gòu)，B6環(huán)焊縫只能從筒體外側(cè)進(jìn)行單邊焊接雙面成型，焊接質(zhì)量難以保證。同時(shí)，該甲醇合成塔筒體材料為13MnNiMoNbR高強(qiáng)鋼，在焊接過程中需要進(jìn)行預(yù)熱和消氫處理，焊接完成后需要進(jìn)行消應(yīng)力熱處理[2]。同樣受限于空間結(jié)構(gòu)，熱處理時(shí)只能在筒體表面進(jìn)行局部熱處理，并且筒體壁厚為60mm，局部熱處理難度進(jìn)一步加大。而熱處理的任何一個(gè)環(huán)節(jié)處理不到位，都有可能造成焊縫出現(xiàn)裂紋，因此，判斷焊縫裂紋是因熱處理效果不佳而造成的。

4 現(xiàn)場修復(fù)方案

根據(jù)B6焊縫UT檢測情況，制定了現(xiàn)場返修方案：將B6環(huán)焊縫均勻分段進(jìn)行返修，返修時(shí)按照預(yù)熱、清除裂紋、補(bǔ)焊、熱處理、探傷檢測及水壓實(shí)驗(yàn)的步驟進(jìn)行作業(yè)。

4.1 預(yù)熱

由于是現(xiàn)場進(jìn)行返修，甲醇合成塔殼體內(nèi)仍殘存有較多水分，在進(jìn)行氣刨清除裂紋前，必須要進(jìn)行充分預(yù)熱，將殼體內(nèi)水分烘干。同時(shí)，由于筒體壁厚為60mm，預(yù)熱是受甲醇合成塔結(jié)構(gòu)限制，只能在筒體外壁進(jìn)行局部加熱，因此，應(yīng)適當(dāng)延長預(yù)熱時(shí)間。具體預(yù)熱方案為：對(duì)B6焊縫及周圍200mm范圍內(nèi)均勻預(yù)熱，預(yù)熱溫度達(dá)到150～250℃，并持續(xù)加熱120min以上，最大限度確保筒體內(nèi)外壁溫度均勻一致。

4.2 清除裂紋

充分預(yù)熱后，使用碳弧氣刨將裂紋缺陷清除干凈，并打磨坡口滲碳層，保溫自然冷卻，刨除裂紋的坡口要圓滑，同時(shí)適當(dāng)控制氣刨角度，便于焊接。自然冷卻至常溫后，對(duì)氣刨坡口及缺陷處進(jìn)行100%PT檢測，以確保裂紋清除干凈。

4.3 補(bǔ)焊

焊接時(shí)保證焊接周圍200mm范圍內(nèi)及焊接層間溫度150～200℃，并按照焊接工藝評(píng)定DⅢ-3-2H，WSⅢ-2-1H進(jìn)行焊接作業(yè)[3]。堆焊后適當(dāng)打磨清理，使得坡口根部便于單邊焊接雙面成型，方可進(jìn)行坡口焊縫的焊接。焊接后立即進(jìn)行消氫處理，加熱寬度范圍應(yīng)超過補(bǔ)焊區(qū)域100mm，并設(shè)置好保溫措施，加熱溫度應(yīng)達(dá)到消氫處理的溫度范圍，確保熱處理效果[4]。消氫處理的工藝參數(shù)按照圖3曲線進(jìn)行。焊接完成24h后，對(duì)焊縫進(jìn)行100%UT+100%MT檢測，分別為Ⅰ級(jí)合格，并對(duì)其熱影響區(qū)100mm范圍內(nèi)進(jìn)行100%UT+100%MT檢測，分別為Ⅰ級(jí)合格。

圖3 消氫處理溫度曲線

4.4 焊后熱處理

焊縫檢測合格后，對(duì)焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行消應(yīng)力熱處理。熱處理范圍超過焊縫和補(bǔ)焊區(qū)域100mm，并設(shè)置好保溫措施，保溫層厚度不小于100mm，確保熱處理過程中受熱均勻[5]。由于現(xiàn)場返修作業(yè)，受工況及環(huán)境影響，保溫時(shí)間可適當(dāng)延長1～2h，以充分消除焊縫及熱影響區(qū)殘余應(yīng)力。熱處理溫度曲線按圖4進(jìn)行。

圖4 熱處理溫度曲線

4.5 探傷檢測

熱處理24h后，應(yīng)對(duì)焊縫及其熱影響區(qū)100mm范圍內(nèi)再次進(jìn)行100%UT+100%MT檢測，分別為Ⅰ級(jí)合格。

4.6 水壓試驗(yàn)

探傷檢查合格后，按照GB150—2011《壓力容器》設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)甲醇合成塔殼體進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力7.58MPa[6]。試驗(yàn)合格后，應(yīng)對(duì)焊縫及其熱影響區(qū)100mm范圍內(nèi)再次進(jìn)行100%UT+100%MT檢測復(fù)查，分別為Ⅰ級(jí)合格。

5 返修總結(jié)

甲醇合成塔是甲醇裝置的核心設(shè)備，一旦出現(xiàn)設(shè)備事故，將會(huì)造成不可估量的危害。因此，對(duì)出現(xiàn)裂紋的B6焊縫應(yīng)加大監(jiān)測頻次，以便盡早發(fā)現(xiàn)并消除隱患。同時(shí)，在返修過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)，以避免再次出現(xiàn)焊接質(zhì)量事故。

(1)裂紋缺陷必須清除徹底。裂紋缺陷不僅存在于焊縫范圍內(nèi)，部分裂紋已經(jīng)延伸到筒體熱影響區(qū)，因此，必須將裂紋缺陷徹底清除，以避免返修焊接時(shí)再次產(chǎn)生裂紋。

(2)充分預(yù)熱。由于甲醇合成塔設(shè)備已經(jīng)投入使用，工藝介質(zhì)已經(jīng)進(jìn)入設(shè)備內(nèi)，而13MnNiMoNbR焊接時(shí)容易產(chǎn)生冷裂紋，因此，在返修時(shí)應(yīng)對(duì)返修部位充分預(yù)熱，以便于消除設(shè)備內(nèi)水汽，避免出現(xiàn)焊接冷裂紋。

(3)做好防雨措施。受露天環(huán)境限制，且由于返修作業(yè)時(shí)間較長，必須要做好相應(yīng)的防風(fēng)防雨措施，以避免大風(fēng)、下雨等惡劣天氣影響焊接質(zhì)量。

(4)適當(dāng)延長熱處理保溫時(shí)間。由于筒體壁較厚，加之熱處理時(shí)是局部加熱，容易出現(xiàn)筒體內(nèi)外兩側(cè)受熱不均，導(dǎo)致筒體內(nèi)側(cè)溫度達(dá)不到預(yù)熱溫度，因此，熱處理時(shí)適當(dāng)延長保溫時(shí)間。

[1]周俊鵬，崔淑芬，李民.20萬噸/年甲醇合成塔制造[C].全國壓力容器學(xué)術(shù)會(huì)議，2009.

[2]李玉虎，劉靜，楊占波.甲醇合成塔的焊接制造[J].壓力容器，2007，24(12)：22-25.

[3]王淑華，邱國洪，邢育新.13MnNiMoNbR高強(qiáng)鋼的焊接[J].焊接技術(shù)，2008，37(3)：62-63.

[4]楊曉杰.甲醇合成塔制造中焊接接頭硬度的控制[J].壓力容器，2006，23(5)：52-54.

[5]魏志強(qiáng)，吳清衛(wèi).甲醇合成塔環(huán)縫開裂的現(xiàn)場檢修[J].壓力容器，2010，27(9)：55-57.

[6]GB150-2011，壓力容器[S].

[7]石建玲，王關(guān)林.甲醇合成塔環(huán)焊縫開裂原因分析及修復(fù)[J].化肥設(shè)計(jì)，2012，50(3)：27-29.

修改稿日期： 2017-04-13

Crack Analysis and Repair of Weld Seams in Methanol Synthesis

WU Da-yong，SHENG Yan-ying，JI Xin-jie

(XinxiangZhongxinChemicalCo.，Ltd.，XinxiangHenan453800，China)

This paper introduces the main technical parameters of the methanol synthesis tower and the crack state of the B6 weld，analyzes the causes of the crack in the B6 weld of the methanol synthesis tower and makes the plan of the field repair program as well as summarizes the experience of repairing and the matters needing attention.

Methanol synthesis tower；B6 weld；crack；repairing；heat treatment；flaw detection

武大勇(1974年—)，男，河南林州人，1995年畢業(yè)于河南化工學(xué)校，工程師，現(xiàn)主要從事設(shè)備管理工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.016

TQ223.121

B

1004-8901(2017)03-0059-03