吸附塔焊缝裂纹分析及预防措施

廉继康

新疆炼化建设集团有限公司，新疆克拉玛依 833699

2018年5月，某石化公司炼油厂操作人员发现PSA吸附塔A塔、B塔之间的管道介质流动声音有异常，车间通过排查，在A塔中上部保温铁皮接缝处发现有气体向外流动，初步判断此处存在氢气泄漏。车间立刻启动应急，汇报调度员，并快速切除A塔泄压，组织搭设脚手架施工，拆除铁皮保温进行检查，在A塔的上部塔壁纵焊缝处，发现一条裂纹。

1 裂纹与设备概况

本次发现的裂纹长约270 mm，其概况见图1。本设备属于易疲劳容器，操作压力在-0.008～2.5MPa之间交变，年交变次数为45 000次，设计寿命为20年，材质16 MnR（细晶粒钢，正火）。A塔设备主要设计参数如表1所示。

吸附塔A于2003年设计及制造，同批吸附塔由同一厂家制造，共制作了6台。至今在大检修时进行过3次全面的检验，最近一次是2015年检验，检验结果均未发现明显缺陷。为了查找裂纹形成原因及消除隐患，由专业检验单位对吸附塔A焊缝进行多仪器不同方法的检验，同时对另外5台吸附塔拆除保温进行抽检。

图1 缺陷焊缝打磨后宏观检查

表1 设计主要参数

2 吸附塔A的检验

（1）焊缝棱角度检查[1]。技术人员对已经拆除保温的6台PSA吸附塔焊缝棱角度进行了抽查测量，数据如表2所示。

表2 A塔棱角度测量数据

从现场抽查测量的数据来看，吸附塔A存在棱角度超标缺陷的焊缝正是产生裂纹的纵焊缝，最大偏差达到5mm，其余焊缝均未超标，最大偏差为2.5mm。

（2）壁厚测试。对筒体和封头进行壁厚测试，筒体壁厚15.20～16.50 mm，封头壁厚26.33～29.26 mm，壁厚符合要求。

（3）磁粉检测。对筒体纵环焊缝进行100%磁粉检测，未发现宏观裂纹以外的表面缺陷。

（4）相控阵检测。对筒体纵环焊缝50%的部位采用相控阵进行检测，未发现宏观裂纹以外的缺陷。

（5）TOFD（超声波衍射时差法）检测。采用TOFD进行检测，未发现现有裂纹之外其他焊缝缺陷。

（6）硬度检测。对裂纹附近焊缝及母材进行硬度检测，焊缝硬度均值为HB142，母材硬度均值为HB138，硬度值符合母材硬度要求HB≤235，并且满足焊缝硬度不大于母材125%的要求，其他部位测试硬度均无异常。

（7）金相检验。母材金相组织为铁素体加珠光体，金相组织照片见图2；焊缝裂纹尖端金相组织为铁素体加碳化物，有一定的魏氏体倾向，见图3；裂纹以穿晶为主+局部沿晶裂纹，主裂纹边缘存在少量二次微裂纹，见图4。

图2 母材金相组织（200×）

图3 裂纹尖端附近金相组织

图4 裂纹附近微裂纹金相组织

（8） 成分分析。成分分析结果见表3，GB/T 5117-2012《非合金钢和细晶粒钢焊条》[2]要求熔敷金属锰含量≤1.60%（质量分数），成分分析结果符合要求。

表3 锰含量测试值（质量分数）

3 检验结果分析

（1）对其他5台设备及A塔其余无宏观缺陷焊缝进行抽检，焊缝外观及内部均没有发现超标缺陷。

（2）宏观检验发现裂纹所处的焊缝部位棱角度超标，棱角度使容器产生了构造上的不连续性，在焊缝与母材过渡处引起应力集中，棱角度的超标使应力更加集中，在疲劳工况下容易导致已存在的小缺陷扩展，并造成最终开裂。

（3）金相检验发现裂纹以穿晶为主，且二次裂纹较少，结合疲劳工况，分析该裂纹为疲劳裂纹。

（4）相控阵检测发现裂纹立体成像内外部长短无明显区别。

（5）查阅设备出厂原始资料发现A塔出现裂纹的焊缝制造棱角度接近于允许偏差范围的上限。

4 设备制造过程棱角度超标的预防措施

根据制造厂家的调查，出现裂纹的焊缝A1板宽为2 660 mm，下料切割后，使用三辊卷板机进行卷制。使用三辊对称式卷板机卷制圆筒体时，由于该卷板机构造的特殊性及工作原理，纵焊缝附近不可避免地存在一段直边，直边段的宽度及每次卷制弯度的大小完全由卷板机操作人员的技能、经验及仔细程度决定。所以设备制造过程中棱角度质量控制应注意以下几方面：采用四辊卷板机卷制圆筒体，从仪器设备方面减少直边段；提高操作人员的技能水平；加强操作及检验人员的责任心；根据经验数据制订焊接反变形工艺。

5 结束语

根据以上分析，结合使用工况以及原始资料，认为设备制造时，由于钢板卷制压弧操作不当，致使卷板机对纵焊缝侧压弧过度，形成翻边，焊接后棱角度已接近于超标范围，结合面处存在应力集中；设备投用后，使用年限已达15年，由于操作压力的累积交变，使得由棱角度超标造成的焊缝应力较严重地集中，经过设备长期疲劳运行，设备圆筒体从焊缝上的孔状缺陷部位起裂，逐步扩展成为穿透性裂纹。对于易疲劳容器，设备制造过程中每道工序的质量保证都非常关键，任何质量缺陷都将影响设备的使用寿命，更严重的将会造成质量安全事故。