论文部分内容阅读
[摘要]介绍了制氢装置PsA氢气提纯单中吸附塔塔壁保温支撑圈垫板焊缝处裂纹概况，裂纹成因是筒壁保温支撑圈垫板处焊缝存在残余应力，在长期交变载荷下焊缝处形成表面裂纹，进而延伸至筒体本体形成贯穿裂纹。裂纹消除后进行了补焊处理，并对该保温结构形式进行了更改，消除了设备隐患，保证安全生产。
[关键词]吸附塔 裂纹 交变載荷 应力
我炼油厂40000Nm3/h制氢装置投产于2004年8月，PSA氢气提纯单元采用的是成都华西化工科技股份有限公司的10-3-4 PSA流程变压吸附氢提纯技术，从混合气中提纯分离出纯度大于99.9%的氢气。其核心为总共10台吸附塔，3塔同时吸附，包括4次连续均压回收氢气过程，逆放、冲洗再生过程连续，即装置的10个吸附塔中有3个吸附塔始终处于同时进料吸附的状态。其吸附和再生工艺过程由吸附、连续四次均压降压、顺放、冲洗、连续四次均压升压和产品最终升压等步骤组。10个吸附塔（T1401A～J）为该单元核心设备，承受循环压力，设备规格2600X24×10985mm，容器类别为二类，设计寿命20年，整体热处理。
1裂纹发现情况
2013年3月21日凌晨3点08分，当班操作工巡检至PSA时，听到PSA吸附塔附近有异响，经确认为PSA的T1401D塔塔体中间的声音，操作工立即返回操作室调看DCS画面，发现在T1401D塔从终升开始到吸附结束这一段时间异常声音最大，操作工又及时返回现场，用氢气报警仪寻找泄漏点，用氢气报警仪寻找泄漏点，在PSA的T1401D塔附近发现报警仪始终在报警，操作人员意识到极有可能是D塔的某个位置发生氢气泄漏，于是用防爆对讲机通知操作室立即将T1401D塔切除系统。
白天对T1401D塔筒体保温进行拆除，肉眼发现塔体中间位置的保温支撑垫板纵向焊道开裂并延伸至本体，长度约35cm。
2裂纹原因分析
裂纹出现后，我厂立即对该塔进行卸剂检验，委托检测公司对裂纹处以及裂纹附近母材进行了射线、硬度、金相、s、P含量分析，同时对容器外壁整体进行表面磁粉检测。
检测结果如下：
（1）通过射线及磁粉检测确定裂纹最终长度为内壁330mm，外壁（断续）430mm，其它部分未发现缺陷。
（2）硬度分析：对裂纹焊缝以及附近母材做硬度检测。材质为16MnR，经过热处理后硬度值一般为HB<200，裂纹部位以及附近母材硬度值HB均在150左右。
（3）金相分析：对裂纹焊缝部位做金相实验，经分析失效部位金相组织正常。
（4）s、P含量分析：对裂纹部位以及垫板取样进行s，P含量分析。分析数据均在指标范围之内。
该塔于2004年8月投用，已经经过两次定期检验，最近一次定期检验时间为2012年5月，由于吸附塔的吸附剂不便卸出，定期检验时在吸附塔的外壁对焊缝进行宏观、测厚、磁粉、超声检测，未对简体保温支撑圈垫板焊道进行相关检测，检验未发现任何问题，安全状况等级均为1级。
从本次检测结果及历次的定期检验情况分析，外壁裂纹长度长于内部裂纹，可以断定裂纹是从外部开始裂开而向内部延伸的，保温支撑圈垫板焊在筒体上，是筒体上几何突变部位，应力比较集中，同时设备经过9年的运行时间。
综上，认为定裂纹产生的原因是吸附塔在长期的交变载荷作用下，在焊缝处存在未消除的应力，从而导致焊缝外表面出现裂纹，进而延伸至简体本体形成贯穿裂纹。
3裂纹处理
3.1切割垫板
采用砂轮机将裂纹部位的垫板清除掉，将原焊肉打磨至与母材平齐，注意避免损伤吸附塔外壁母材。
3.2打坡口
距离裂纹中心线两侧各50mm，沿裂纹长度方向布置电加热带，进行预热，预热温度为100—150℃，保温1小时。用碳弧气刨清除吸附塔内、外壁裂纹，用角磨机将气刨渗碳层（约1mm左右）清除掉并修磨出u型坡口，返修坡口宽度20mm，深度16mm。注意，修磨坡口后需进行100%着色检测，保证修磨的坡口两侧无裂纹。
3.3焊接
由于裂纹产生方向是从外向内的，因此裂纹返修的先焊面为外壁，外侧焊后内侧清根，然后再对内侧进行补焊。焊接采用手工电弧焊焊接，焊前预热，预热温度100—150℃，立即做消氢处理，用保温棉进行缓冷至室温。焊接时，保证一侧预热，另一侧焊接。
3.4消氢处理
焊后立即进行消氢处理，加热到350℃保温1小时，然后用保温棉进行缓冷至室温。
3.5无损检测
消氢结束后，对补焊位置进行射线与超声检测。要求射线检测Ⅱ级合格，超声I级合格。射线、超声结果均合格。
3.6消除应力热处理
将补焊部位加热到620摄氏度，恒温3小时，进行局部热处理以消除应力。热处理后进行硬度检测，要求HB<200。硬度值不超标。
热处理后打磨返修部位的内、外侧焊缝与母材平齐，然后对焊缝表面进行磁粉检测。
3.7水压试验
向吸附塔内充装水，充满后缓慢升压至设计压力2.42MPa，检查无泄漏后继续升压到试验压力2.625MPa，保压足够时间，然后降至设计压力，保压足够时间进行检查，检查合格。
吸附塔修复合格后，装入吸附剂投入正常生产使用。鉴于吸附塔塔壁保温支撑圈垫板是整个塔的应力集中部位，我厂将10个吸附塔的保温结构形式进行了更改，将可以切除的保温支撑圈垫板都进行了切除。在垫板切除过程中，在切除的焊缝部位又发现2处裂纹，深为4mm，由于是交变载荷的容器，按照《压力容器定期检验规程》打磨后的凹坑无法进行无量纲参数计算，按照T1401D的标准进行了补焊处理。
4结语
吸附塔的裂纹产生主要是由于筒壁保温支撑圈垫板处焊缝存在残余应力，在长期交变载荷下焊缝处形成表面裂纹，进而延伸至筒体本体形成贯穿裂纹。
对于承受交变载荷的压力容器的检验要区别对待，要特别引起重视，不能只根据以往常规压力容器定期检验经验仅重点检查简体本体焊道，还应对几何突变处应力比较集中的部位（如焊在外壁表面的保温支撑圈垫板处焊缝）进行表面无损检测。
[关键词]吸附塔 裂纹 交变載荷 应力
我炼油厂40000Nm3/h制氢装置投产于2004年8月，PSA氢气提纯单元采用的是成都华西化工科技股份有限公司的10-3-4 PSA流程变压吸附氢提纯技术，从混合气中提纯分离出纯度大于99.9%的氢气。其核心为总共10台吸附塔，3塔同时吸附，包括4次连续均压回收氢气过程，逆放、冲洗再生过程连续，即装置的10个吸附塔中有3个吸附塔始终处于同时进料吸附的状态。其吸附和再生工艺过程由吸附、连续四次均压降压、顺放、冲洗、连续四次均压升压和产品最终升压等步骤组。10个吸附塔（T1401A～J）为该单元核心设备，承受循环压力，设备规格2600X24×10985mm，容器类别为二类，设计寿命20年，整体热处理。
1裂纹发现情况
2013年3月21日凌晨3点08分，当班操作工巡检至PSA时，听到PSA吸附塔附近有异响，经确认为PSA的T1401D塔塔体中间的声音，操作工立即返回操作室调看DCS画面，发现在T1401D塔从终升开始到吸附结束这一段时间异常声音最大，操作工又及时返回现场，用氢气报警仪寻找泄漏点，用氢气报警仪寻找泄漏点，在PSA的T1401D塔附近发现报警仪始终在报警，操作人员意识到极有可能是D塔的某个位置发生氢气泄漏，于是用防爆对讲机通知操作室立即将T1401D塔切除系统。
白天对T1401D塔筒体保温进行拆除，肉眼发现塔体中间位置的保温支撑垫板纵向焊道开裂并延伸至本体，长度约35cm。
2裂纹原因分析
裂纹出现后，我厂立即对该塔进行卸剂检验，委托检测公司对裂纹处以及裂纹附近母材进行了射线、硬度、金相、s、P含量分析，同时对容器外壁整体进行表面磁粉检测。
检测结果如下：
（1）通过射线及磁粉检测确定裂纹最终长度为内壁330mm，外壁（断续）430mm，其它部分未发现缺陷。
（2）硬度分析：对裂纹焊缝以及附近母材做硬度检测。材质为16MnR，经过热处理后硬度值一般为HB<200，裂纹部位以及附近母材硬度值HB均在150左右。
（3）金相分析：对裂纹焊缝部位做金相实验，经分析失效部位金相组织正常。
（4）s、P含量分析：对裂纹部位以及垫板取样进行s，P含量分析。分析数据均在指标范围之内。
该塔于2004年8月投用，已经经过两次定期检验，最近一次定期检验时间为2012年5月，由于吸附塔的吸附剂不便卸出，定期检验时在吸附塔的外壁对焊缝进行宏观、测厚、磁粉、超声检测，未对简体保温支撑圈垫板焊道进行相关检测，检验未发现任何问题，安全状况等级均为1级。
从本次检测结果及历次的定期检验情况分析，外壁裂纹长度长于内部裂纹，可以断定裂纹是从外部开始裂开而向内部延伸的，保温支撑圈垫板焊在筒体上，是筒体上几何突变部位，应力比较集中，同时设备经过9年的运行时间。
综上，认为定裂纹产生的原因是吸附塔在长期的交变载荷作用下，在焊缝处存在未消除的应力，从而导致焊缝外表面出现裂纹，进而延伸至简体本体形成贯穿裂纹。
3裂纹处理
3.1切割垫板
采用砂轮机将裂纹部位的垫板清除掉，将原焊肉打磨至与母材平齐，注意避免损伤吸附塔外壁母材。
3.2打坡口
距离裂纹中心线两侧各50mm，沿裂纹长度方向布置电加热带，进行预热，预热温度为100—150℃，保温1小时。用碳弧气刨清除吸附塔内、外壁裂纹，用角磨机将气刨渗碳层（约1mm左右）清除掉并修磨出u型坡口，返修坡口宽度20mm，深度16mm。注意，修磨坡口后需进行100%着色检测，保证修磨的坡口两侧无裂纹。
3.3焊接
由于裂纹产生方向是从外向内的，因此裂纹返修的先焊面为外壁，外侧焊后内侧清根，然后再对内侧进行补焊。焊接采用手工电弧焊焊接，焊前预热，预热温度100—150℃，立即做消氢处理，用保温棉进行缓冷至室温。焊接时，保证一侧预热，另一侧焊接。
3.4消氢处理
焊后立即进行消氢处理，加热到350℃保温1小时，然后用保温棉进行缓冷至室温。
3.5无损检测
消氢结束后，对补焊位置进行射线与超声检测。要求射线检测Ⅱ级合格，超声I级合格。射线、超声结果均合格。
3.6消除应力热处理
将补焊部位加热到620摄氏度，恒温3小时，进行局部热处理以消除应力。热处理后进行硬度检测，要求HB<200。硬度值不超标。
热处理后打磨返修部位的内、外侧焊缝与母材平齐，然后对焊缝表面进行磁粉检测。
3.7水压试验
向吸附塔内充装水，充满后缓慢升压至设计压力2.42MPa，检查无泄漏后继续升压到试验压力2.625MPa，保压足够时间，然后降至设计压力，保压足够时间进行检查，检查合格。
吸附塔修复合格后，装入吸附剂投入正常生产使用。鉴于吸附塔塔壁保温支撑圈垫板是整个塔的应力集中部位，我厂将10个吸附塔的保温结构形式进行了更改，将可以切除的保温支撑圈垫板都进行了切除。在垫板切除过程中，在切除的焊缝部位又发现2处裂纹，深为4mm，由于是交变载荷的容器，按照《压力容器定期检验规程》打磨后的凹坑无法进行无量纲参数计算，按照T1401D的标准进行了补焊处理。
4结语
吸附塔的裂纹产生主要是由于筒壁保温支撑圈垫板处焊缝存在残余应力，在长期交变载荷下焊缝处形成表面裂纹，进而延伸至筒体本体形成贯穿裂纹。
对于承受交变载荷的压力容器的检验要区别对待，要特别引起重视，不能只根据以往常规压力容器定期检验经验仅重点检查简体本体焊道，还应对几何突变处应力比较集中的部位（如焊在外壁表面的保温支撑圈垫板处焊缝）进行表面无损检测。