PSA提氢装置吸附塔裂纹原因分析及处理措施

秦 杰

(阳煤集团太原化工新材料有限公司，山西 清徐 030400)

阳煤集团太原化工新材料有限公司的PSA提氢装置于2016年9月投料运行。主要任务是将来自净化低温甲醇洗装置的原料气(氢气纯度98.79%)经过PSA吸附塔提纯后进入一、二级精脱硫塔深度脱硫脱氧产出合格的氢气(氢气纯度99.9%)，外送下游工段。PSA提氢装置工作过程包括吸附、均压、顺放、逆放、冲洗和升压等过程，工艺流程采用四川同盛科技有限责任公司的10-2-5/P时序，即10个吸附塔、2个在线吸附、5次均压的工艺流程。

1 吸附塔技术参数

吸附塔的设计制造依据为JB4732-95(2005年确认)，设计压力3.7 MPa(G)，设计温度60 ℃，工作温度30 ℃，操作压力0.01MPa～3.0 MPa(G),设备规格DN1 600 mm×11 136 mm×22 mm,材料Q345R(正火)，设计使用寿命20年，总循环次数300 000次，主要介质：H2:98.79%，CO:0.74%，N2:0.47%。

10个吸附塔为该装置的核心设备，承受循环压力，容器类别为Ⅲ类。

2 裂纹发现情况

2020年9月28日15：20分，当班操作工在巡检至PSA装置时听到B吸附塔附近有明显气体泄漏的声音，且在B塔终充开始到吸附结束这一段时间声音最大，经现场仔细观察发现B吸附塔筒体7 m处有一处明显裂纹，操作工立即用防爆对讲机告知中控将B塔切出系统。

吸附塔由4节筒体组成，经筒体外部搭脚手架发现裂纹在第二节筒体纵焊缝处(约10 cm)。

3 裂纹原因分析

裂纹出现后，我公司立即对该塔进行卸剂检测，委托检测公司对裂纹处以及其余焊缝处进行了超声及射线检测，并对裂纹附近母材进行了侧厚检测。裂纹检测图，如图1所示。

图1 裂纹检测图

1) 通过射线及超声检测最终确定为贯穿裂纹，裂纹长度150 mm，H=8 mm～22 mm，波幅SL+6 db。

2) 通过对裂纹附近母材多点测厚，厚度正常，没有明显的腐蚀及塑性变形。

吸附塔属于典型的疲劳容器，按照JB4732-95(2005年确认)进行分析设计，该吸附塔的设计使用年限20年，实际使用不到4年(循环次数不到60 000次)投入使用这么短时间内，就发现焊缝处有贯穿性裂纹，潜在原因可能是①超设计工况运行；②裂缝处焊缝的焊接缺陷；③长期在交变载荷作用下，焊缝应力集中导致裂纹。

通过调取吸附塔一年内的运行数据，操作压力0.01 MPa～3.0 MPa(G)，操作温度18 ℃～20 ℃，符合设计要求范围。经查阅压力容器产品质量证明书，全部焊缝有当地锅检所出具的焊缝探伤检测报告，可以排除前两条可能导致出现裂纹的原因[2]。

该塔于2016年9月投用，2018年9月对其进行了首次定检，由于吸附塔内吸附剂不便卸出，定期检验时在吸附剂的外壁对焊缝进行了测厚、超声、PT检测，检验未发现任何问题，安全状况等级为3级。

综上所述，认为裂纹产生的原因是吸附塔在长期的交变载荷下，在焊缝处存在未消除的应力，从而导致焊缝出现贯穿裂纹。

4 裂纹的处理

1) 对缺陷的部位进行检查(用目视、磁粉或着色进行检查)，确认缺陷的位置后将缺陷部位清除干净，用碳弧气刨清理，直到将裂纹缺陷刨掉为止，用磨光机将渗碳层、杂质等附着物磨掉并露出金属光泽，为确保缺陷清除干净应进行PT-100%检测，符合NB/T47013.5-2015中规定的Ⅰ级合格。

2) 焊接技术要求：焊条采用直径Φ2.5 mm～4 mm的J507RH焊条进行焊接，将焊条按要求进行烘干(按标准NB/T47015-2011要求)。每层焊接时要认真清理焊渣，合格后再进行下一层的焊接。

3) 无损检测：委托当地锅检所进行100%射线探伤检查，符合NB/T47013.4-2015中规定的Ⅰ级为合格。

4) 消除应力热处理：消除应力热处理采用局部热处理，热处理采用电加热带进行加热，应严格按工艺参数表规定执行，热处理时应定专人负责并观察温度变化，防止过热。升温及保温时应控制加热区气氛，防止焊缝表面过度氧化。一般情况下，升温速度和降温速度不低于55 ℃/h。

5) 热处理参数：加热过程中当温度达到300 ℃时应控温升速，升温速度不得大于80 ℃/h，温度上升到620 ℃时保温3 h，然后降温，当温度高于300 ℃时应控温降温，降温速度不得大于100 ℃/h，当温度下降到300 ℃时可自然冷却。热处理过程中要采用热电偶测温随时对加热区域进行测温，以保证加热区的温度符合热处理工艺要求。热处理时间温度曲线，如图2所示。

图2 热处理时间—温度曲线图

6) 水压试验：备齐试压用盲板、阀门、法兰、螺栓、螺母、垫片及在校验周期的压力表(量程满足要求)等部件。按要求组装紧固各零部件，紧固螺栓应对称紧固。壳体内充满大于5 ℃的水，将容器内空气排净，试压过程保持表面干燥。当容器壁温与液体温度接近时，才能缓慢升至设计压力3.7 MPa，确认无泄漏后继续升压到试验压力4.625 MPa，保压足够时间，然后降至设计压力3.7 MPa，保压30 min进行检查，检查期间压力应保持不变。试验合格，应将水排净，并用压缩空气将内部吹干。

5 结语

吸附塔的裂纹产生主要是由于筒壁第二节焊缝处存在残余应力，在长期交变载荷下形成贯穿裂纹。经过多次研究，采取了相应的检修措施，取得圆满的检修效果，日后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。