化工洗滌塔的沖刷減薄研究

劉重陽 陳 藝 湯陳懷 童壯根 王勝輝

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

2019年，在對某化工裝置中洗滌塔進(jìn)行定期檢驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)，噴淋器口及其所在筒節(jié)、下方筒節(jié)存在嚴(yán)重減薄現(xiàn)象。 經(jīng)內(nèi)部宏觀檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)噴淋器口所在筒節(jié)及其下方筒節(jié)內(nèi)表面出現(xiàn)大片坑狀、銳槽等表面金屬剝落、 角焊縫裸露的條形缺陷。根據(jù)GB/T 30579—2014《承壓設(shè)備損傷模式識別》的描述，沖刷是固體、液體或其任意之間組合發(fā)生沖擊或相對運(yùn)動，造成材料表面層機(jī)械剝落加速的過程。 沖刷可以在很短的時間內(nèi)造成材料局部嚴(yán)重?fù)p失，典型情況下有沖刷形成的坑、溝、銳槽、孔和波紋狀形貌，且具有一定的方向性［1］。 此臺洗滌塔的壁厚減薄屬于典型的沖刷減薄，筆者針對此現(xiàn)象對該臺設(shè)備的使用安全進(jìn)行了評定。

1 設(shè)備基本情況

本臺洗滌塔材料為Q345R， 至定期檢驗(yàn)時（2019年）已使用8年，設(shè)計(jì)壓力：-0.05/0.30 MPa，設(shè)計(jì)溫度：250 ℃，介質(zhì)：光氣（屬于極度危害介質(zhì)）、HCl、ODB。 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 洗滌塔結(jié)構(gòu)簡圖

2 定期檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的具體缺陷

經(jīng)測厚發(fā)現(xiàn)接管N2（作為進(jìn)料口使用）及其所在筒節(jié)、下方筒節(jié)和接管N4（作為人孔使用）存在嚴(yán)重減薄現(xiàn)象。 N2（DN900 mm）公稱厚度20 mm，實(shí)測最小厚度9.3 mm；接管N2所在筒節(jié)公稱厚度24 mm，實(shí)測最小厚度15.8 mm；接管N4公稱厚度18 mm，實(shí)測最小厚度12.3 mm；接管N4下方筒節(jié)公稱厚度18 mm，實(shí)測最小厚度10.0 mm。

經(jīng)內(nèi)部宏觀檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)接管N2的防沖擋板因介質(zhì)沖刷完全失效，N2所在筒節(jié)及其附近筒節(jié)內(nèi)表面出現(xiàn)大片坑狀、銳槽等典型的沖刷導(dǎo)致的表面金屬剝落缺陷（圖2）。

圖2 洗滌塔內(nèi)表面照片

經(jīng)內(nèi)部宏觀檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)接管N4（DN800 mm）與筒體連接角焊縫焊趾存在多處不連續(xù)的條形缺陷，缺陷最長約45 mm，人孔N4角焊縫缺陷照片如圖3所示。

圖3 人孔N4角焊縫缺陷照片

對 接 管N3 （DN800 mm）、N6 （DN50 mm）、N23（DN600 mm）與筒體間的角焊縫進(jìn)行UT檢測。

由檢測結(jié)果可知，接管N3與筒體間的角焊縫存在3處不連續(xù)的條形缺陷（圖4a），缺陷最大長度280 mm，缺陷深度13～17 mm；接管N23與筒體間的角焊縫存在2 處不連續(xù)條形缺陷（圖4b），缺陷最大長度為260 mm，缺陷深度11～16 mm。

圖4 接管N3、N23缺陷位置示意圖

3 缺陷原因分析及處理

3.1 原因分析

經(jīng)過定期檢驗(yàn)，分析缺陷產(chǎn)生的原因可知：

a. 材料。材料的硬度是影響設(shè)備耐沖刷性能的重要因素之一， 硬度低的合金易發(fā)生沖刷損傷，硬度高的合金耐沖刷能力強(qiáng)。 本臺設(shè)備所用材料為Q345R， 正火狀態(tài)， 產(chǎn)品試板母材硬度為128～152HV，耐沖刷能力不高。

b. 介質(zhì)及流速。對每種環(huán)境-材料組合，一般都會有一個流速臨界值，大于該臨界值時流體沖擊就會造成金屬損失，在臨界值以上流速越高金屬損失越快，尤其是軟質(zhì)合金（如銅合金和鋁合金）易受機(jī)械損傷，金屬損失嚴(yán)重。 本臺洗滌塔在本次定期檢驗(yàn)周期內(nèi)曾短期提高產(chǎn)量，導(dǎo)致原N2接口的防沖部件被沖刷至完全失效，失去了防沖作用，進(jìn)而導(dǎo)致附近筒節(jié)沖刷嚴(yán)重。 另外，在不斷露出的新鮮金屬表面發(fā)生電化學(xué)腐蝕，進(jìn)一步加劇了設(shè)備的減薄現(xiàn)象［2］。

c. 制造缺陷。 設(shè)備在制造過程中由于焊接不當(dāng)，導(dǎo)致接管角焊縫存在內(nèi)部缺陷，焊縫質(zhì)量把控不嚴(yán)，在介質(zhì)沖刷作用下導(dǎo)致接管N2角焊縫條形缺陷肉眼可見。

3.2 缺陷處理

針對該臺設(shè)備，對沖刷最嚴(yán)重的接管N2進(jìn)行整體更換、對接管N4與筒體間的角焊縫、接管N23與筒體間角焊縫進(jìn)行返修監(jiān)檢合格后，經(jīng)UT檢測合格。 對N2所在筒節(jié)進(jìn)行密集測厚，縱向/環(huán)向間隔各20 mm，對厚度小于19 mm的區(qū)域內(nèi)壁貼防沖板處理，防止筒體內(nèi)表面進(jìn)一步?jīng)_刷減薄。

4 安全評定

本臺設(shè)備壁厚減薄量已經(jīng)超過腐蝕裕量（1.5 mm），根據(jù)《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（TSG 21—2016）8.3.11條規(guī)定，需進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算；此外，對接管N2、N4及其所在筒節(jié)進(jìn)行應(yīng)力水平計(jì)算，以綜合評定設(shè)備的安全性。

4.1 強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)TSG 21—2016 第8.3.11條， 下次檢驗(yàn)周期以1年計(jì)算，剩余壁厚（實(shí)測最小壁厚減去至下次檢驗(yàn)日期的腐蝕量）為9.0 mm。

根據(jù)GB/T 150—2011第3.3條，內(nèi)壓圓筒計(jì)算公式為：

其中，Pc為計(jì)算壓力；Di為圓筒內(nèi)徑；［σ］t為設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力；φ為焊接接頭系數(shù)。

根據(jù)式（1）計(jì)算可以得到設(shè)備的計(jì)算厚度為2.47 mm，小于9.0 mm，故判定強(qiáng)度合格。

4.2 有限元分析

采用ANSYS有限元分析軟件對承壓部件（接管N2、接管N4及其所在筒節(jié)）進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算。該軟件滿足ASME和JB 4732—1995（2005年確認(rèn)）的要求。

各部位幾何參數(shù)和主要技術(shù)參數(shù)為：筒體外徑2 648 mm，壁厚15.8 mm，長度2 000 mm，外壓計(jì)算長度2 470 mm；接管N2進(jìn)行了整體更換，接管外徑944 mm，壁厚20 mm，外伸長度326 mm；接管N4外徑836 mm，壁厚12.3 mm，外伸長度256 mm。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB 150—2011中規(guī)定， 材料Q345R的腐蝕裕量1.5 mm，焊接接頭系數(shù)1.0。

接管N2所承受的外載荷如圖5所示， 具體數(shù)值列于表1。

圖5 接管N2所承受的外載荷

表1 接管N2所承受的外載荷數(shù)值

在工況1（設(shè)計(jì)壓力0.3 MPa，設(shè)計(jì)溫度250 ℃）下進(jìn)行計(jì)算，將接管N2、N4筒節(jié)位置PH-1、PH-2結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)面作為評定截面，其應(yīng)力分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 接管N2、N4筒節(jié)應(yīng)力分析截面示意圖

接管N2、N4筒節(jié)部件應(yīng)力云圖如圖7所示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在筒節(jié)與接管N2的連接部位，數(shù)值為337.04 MPa。

圖7 工況1下接管N2、N4筒節(jié)部件應(yīng)力云圖

在工況1下，PH-1、PH-2的應(yīng)力分析和強(qiáng)度評定結(jié)果見表2。 PH-1、PH-2截面局部膜應(yīng)力小于1.5倍許用應(yīng)力， 局部膜應(yīng)力+一次彎曲應(yīng)力小于1.5倍許用應(yīng)力，符合分析設(shè)計(jì)規(guī)范要求。 該結(jié)構(gòu)在工況1條件下是安全的。

表2 工況1條件下的強(qiáng)度評定數(shù)據(jù)

在工況2（設(shè)計(jì)壓力-0.05 MPa，設(shè)計(jì)溫度250 ℃）下進(jìn)行計(jì)算。 接管N2、N4筒節(jié)部件應(yīng)力云圖如圖8所示。最大應(yīng)力出現(xiàn)在筒節(jié)和接管N4連接部位，數(shù)值為265.57 MPa。 模型中一階失穩(wěn)載荷乘子為14.068，二階失穩(wěn)載荷乘子為14.171。 筒節(jié)穩(wěn)定性安全系數(shù)為3.0， 一階失穩(wěn)載荷乘子除以筒體穩(wěn)定性安全系數(shù)為：14.068÷3=4.67，大于1.0。因此，在工況2載荷條件下，結(jié)構(gòu)不會失穩(wěn)。

圖8 工況2下接管N2、N4筒節(jié)部件應(yīng)力云圖

5 預(yù)防措施

根據(jù)缺陷原因分析和安全評定結(jié)果，對該臺設(shè)備提出以下預(yù)防措施：

a. 設(shè)計(jì)優(yōu)化。 選擇合適的結(jié)構(gòu)和尺寸，典型措施有增加管道直徑、降低介質(zhì)流速，采用流線型彎頭，增加沖刷部位壁厚。

b. 選材。采用耐蝕金屬或合金降低介質(zhì)腐蝕性，形成更致密的保護(hù)膜；采用硬度值高的材料，或增設(shè)耐磨襯里，或進(jìn)行表面強(qiáng)化處理等。

c. 防沖設(shè)施。 旋風(fēng)分離器和滑閥中采用耐沖防火材料效果更好， 熱交換器可設(shè)置防沖板，必要時可使用管行護(hù)套來減緩沖刷。

d. 工藝改進(jìn)。 對液體介質(zhì)進(jìn)行氣體分離，對氣體介質(zhì)進(jìn)行旋風(fēng)分離除去固體顆粒。

除了上述預(yù)防措施以外，還需要對設(shè)備進(jìn)行定期檢驗(yàn)，設(shè)備監(jiān)控使用1年，使用期間嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，編制應(yīng)急預(yù)案，嚴(yán)密監(jiān)控設(shè)備安全情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常，立即采取停車措施。

6 結(jié)束語

本臺壓力容器的缺陷為典型的流體沖刷減薄， 由于使用介質(zhì)中的光氣為極度危害介質(zhì)，一旦發(fā)生光氣泄漏，將嚴(yán)重危害人員生命安全。 筆者采用強(qiáng)度計(jì)算、有限元分析等方法對沖刷減薄的洗滌塔進(jìn)行了安全性分析，結(jié)果表明返修處理后的洗滌塔在使用工況下是安全的。 另外，從設(shè)計(jì)、選材、防沖設(shè)施和工藝方面對設(shè)備的后續(xù)使用給出了建議。