高塔设备的失效分析及修复

陈长荣 顾福明 吕华亭 张亚余

（上海市特种设备监督检验技术研究院)

高塔设备的失效分析及修复

陈长荣*顾福明 吕华亭 张亚余

（上海市特种设备监督检验技术研究院)

某石化公司萃取精馏塔在水冲洗时，发现在封头和裙座的焊缝熔合线上存在贯穿裂纹。对该塔封头材料进行了化学成分分析、力学性能测试、硬度检测，并用扫描电镜对断口进行了分析。结果表明,萃取精馏塔材料的化学成分、力学性能均符合标准或设计要求，塔的开裂属疲劳开裂。塔封头和裙座连接处为不连续结构，这就增加了发生疲劳开裂的可能性。根据失效分析，提出了可行的焊接修复方案。

焊缝 塔设备 疲劳开裂 焊接工艺 金相组织 风载荷 修复

0 前言

高耸的圆柱形塔设备是化工与石油化工工业中广泛应用的设备，一般约占工厂设备投资总额的10%～25%[1]。如今随着科学技术的快速发展、各国环保意识的逐渐增强，以及全球化竞争的日益激烈，化工企业向大型化发展已成趋势。然而，随着高度与直径比大的塔设备的数量逐渐增多，塔设备因风诱导振动而引发事故的案例也频频发生。

据文献统计，近十几年，我国吉林、山东、盘锦等地的化工厂中都曾发生过大型精馏塔因风诱导振动而引起的事故。2009年4月中旬至7月中旬，上海某石化公司碳五分离装置共有16台塔设备进行安装，安装期间有6台塔出现了裂纹，且6台塔的裂纹位置相同，均处于裙座与塔体的连接焊缝处。本文主要针对上海某石化公司塔设备开裂案例进行失效分析，并给出相应的工程实际解决方案。

1 塔的现场情况和开裂部位的外观形貌

碳五分离装置共有16台塔，呈一字形排列，其中有6台塔出现了裂纹，裂纹在封头和裙座的焊缝熔合线上。图1为发生裂纹的塔的位置。裂纹位于南北方向，外壁的裂纹比内壁的长，裂纹是从外壁起裂的。其中3201B（设备编号，见图1，下同）塔的高度为50.955 m，是开裂的塔中高度最低的。比这台塔高的3101和3203A两台塔没有发现开裂。3102和3201A这两台塔的高度和开裂的3201B塔的高度相同，也没有出现开裂。裂纹沿下封头和裙座的连接角焊缝熔合线周向分布，开裂分布在南北方向90°范围内，局部裂纹已贯穿。图2和图3为裂纹形貌和位置照片。在封头和裙座的连接角焊缝的外壁处有一周向凹槽，裂纹就在该凹槽内起裂并扩展。

图1 开裂塔的位置

图2 裂纹位置

图3 内壁裂纹

2 实验室分析

2.1 取样情况

从3302塔上取长度为100 mm、高度为40 mm的试样进行分析。该处裂纹深度大约5 mm，裂纹从外壁焊缝处起裂。含裂纹的实物如图4所示。

图4 含裂纹的实物

2.2 化学成分分析和力学性能测试

对2台开裂的塔设备分别取试样分析其封头和焊缝的化学成分。为了对比，对1台未开裂塔设备的封头和焊缝也取试样进行化学成分测试。表1为材料化学成分测试结果，图5为拉伸试样示意图，表2为拉伸性能测试结果。测试结果表明，封头和焊缝的化学成分正常，封头的力学性能符合要求。

图5 拉伸试样

表1 材料化学成分 （%）

表2 塔封头试样力学性能测试结果

2.3 裂纹部位金相检验

图6、图7为裂纹根部的金相组织照片。从图中可以看出，裂纹恰好在熔合线上，而熔合线附近有粗大的魏氏组织。图8为裂纹尖端金相形貌，裂纹呈穿晶扩展。封头金相组织正常，为铁素体和珠光体。图9为焊缝的金相组织，有非常粗大的针状和网状魏氏组织， 从金相照片中可以看出，该焊缝焊接时焊接工艺控制不严格，出现了粗大的魏氏组织，而裂纹恰好在魏氏组织上扩展。

图6 外壁裂纹位置金相

图7 裂纹位置有粗大的魏氏组织

图9 焊缝金属粗大魏氏组织金相

2.4 断口分析

图10为断口扫描电镜形貌。由扫描电镜也可以看到明显的疲劳辉纹，这是疲劳断裂的特征。

图10 疲劳辉纹

裂纹首先在塔的南、北两个方向开始出现，这与风载荷有关。由于偏南风导致了塔的南、北方向摆动，在塔的南、北方向上产生了交变的载荷而出现疲劳开裂。扫描电镜分析表明，断口有疲劳辉纹，这进一步证实了塔的开裂是疲劳断裂所致。因此风载荷是导致塔的疲劳开裂的力学因素。

塔下封头和裙座连接处有一凹槽，这成为塔的薄弱环节。凹槽处存在应力集中，而裙座又是支撑点，因此在交变载荷作用下首先在凹槽处产生疲劳裂纹。

焊缝处发现了非常粗大的魏氏组织，根据对魏氏组织的评级，焊缝处的魏氏组织已经达到最严重的程度 （5级）。由于在凹槽处恰好又是焊缝的熔合线处，焊缝处又有非常粗大的魏氏组织，魏氏组织使焊缝和热影响区变脆，容易诱发裂纹。这又增加了该处出现疲劳裂纹的可能。对于碳钢焊接出现魏氏组织是难免的，但出现非常粗大的魏氏组织却是焊接工艺控制不当造成的。

3 返修工艺

根据上述分析，由于焊接工艺控制不严，裙座与封头间的局部焊缝处出现了粗大的魏氏组织，因此，在修复过程中避免或减少魏氏组织的产生是非常重要的。采用的焊接修复工艺如下：

（1）现场施工必须遵守GB 50236—1998、JB/T 4710—2005规范要求。

（2）对于塔下封头焊缝的修复，施工前必须做焊接试验，且焊接试验须按设计要求进行试验。

（3）对于裂纹挖除焊接，施焊采用手工电弧焊，采取横焊，使用J507焊条，直径为3.2 mm打底，焊第二层直到盖面。

（4）焊条在使用前必须经过350～400℃的烘焙，保温2 h。施焊时带好焊条保温桶，随用随取，防止焊条受潮影响焊接质量。

（5）施工前针对塔下封头裂纹用渗透 （PT）检测作复测定位，并将复测结果记录在案。

（6）在塔下封头裂纹处，装焊立排，均匀分布在壳体的外圆上，立排连接于筒体与裙座之间，材料为Q345R。

（7）若塔下封头上是整圈开裂的情况，应划线分段，定出编号，按编号顺序施焊。若塔下封头上是局部开裂的情况，应先在裂纹两端顶部钻Ø10 mm止裂孔，然后划线分段，定出编号，按编号顺序施焊。采取对称分段跳跃式施工法施工。

（8）先在内壁对称地用碳弧气刨挖除裂纹 （对于采取过应急措施的焊缝也是同样处理）并形成U型坡口，碳弧气刨坡口长度500 mm，深度控制在封头厚度的三分之二，宽度约为13 mm。

碳刨后，对坡口及坡口两侧100 mm范围内用砂轮打磨光洁，并去除淬硬层，坡口按JB/T 4730.5—2005作PT检测，Ⅰ级合格。同时还须对坡口两侧各 100 mm内按 JB/T 4730.3—2005作100%超声检测 （UT），不得有缺陷存在。

（9）施焊前，在内壁修理部位采用电加热方式进行预热，作恒温控制，预热温度大于100℃，预热长度控制在500 mm左右，现场采用测温仪检测。

施焊时在内壁对称分布位置同时施焊。按焊接工艺要求采用横焊，使用小电流、多道焊，施焊的起弧和熄弧要按图11所示采取阶梯式。按图示要求，在最后一道盖面焊缝上采用J507 Ø2.5 mm焊条，快速堆焊一道退火焊道。最后用氧-乙炔火焰，游动均匀地对焊缝和热影响区加热约10 min，使修理部位缓慢冷却。

图11 焊缝起弧收弧

（10）内壁焊后，对封头外壁裂纹仍然用碳弧气刨挖除 （对影响施工的某块立排可单独拆除），形成U型坡口。碳弧气刨深度要大于封头厚度的三分之一，必须是完全清根，并对坡口及坡口两侧100 mm范围用砂轮打磨光洁，去除淬硬层。然后，进行超声（UT）和PT检测，不得有裂纹等缺陷存在。

（11）内外壁上焊接完毕，再逐一拆除剩余立排，不得强力敲除，避免损伤壳体母材。壳体上用于固定立排的焊缝要打磨平滑，并作PT检测，按JB/T 4730.2—2005Ⅰ级合格。

（12）对焊缝按JB/T 4730.2—2005作 100%射线 （RT）检测，Ⅱ级合格。

（13）焊缝经RT检测合格后，将封头内壁上的焊缝余高打磨去除，平滑过渡。封头外壁上的焊缝也要打磨光洁。

（14） 焊缝按JB/T 4730.3—2005作100%超声(UT)检测，Ⅰ级合格。

（15）封头内外壁上的焊缝打磨处，按JB/T 4730.4—2005作100%磁粉 (MT)检测，Ⅰ级合格。

（16）塔封头本体修理后应在焊接接头的内外表面分别对焊缝、熔合区、热影响区作硬度和晶粒度检测。

（17）封头本体修理完毕后，按 JB/T 4746—2002之第6.3.7条要求，做好检测用的内样板，检查封头内表面的形状公差并作好记录。

（18）对裙座与封头的连接焊缝，在补焊前进行100%MT和100%UT检测，不得有裂纹等线性缺陷存在。若有裂纹或线性缺陷，就用碳刨挑除，打磨后经PT检测无裂纹再进行补焊，补焊采用J507 Ø3.2 mm焊条按工艺要求补焊。

（19）焊缝修复全部合格后，对封头与裙座的连接焊缝在原有的基础上再加焊，加焊使用J507 Ø3.2 mm焊条，采用横焊，施焊采用小电流、多道焊，确保达到设计规定的腰高尺寸。

（20）对封头与裙座的连接焊缝，按JB/T 4730.4—2005作100%磁粉（MT）检测，Ⅰ级合格。

4 结论

萃取精馏塔在封头和裙座的连接角焊缝处出现的裂纹，从宏观形貌、微观形貌和开裂的位置及特征看，塔的开裂属疲劳开裂。风载或风载导致的振动是引发疲劳开裂的载荷来源，是疲劳开裂的主要原因。局部焊缝处有粗大的魏氏组织，致使焊缝和热影响区变脆，易诱发裂纹。

制定的焊接修复方案严格控制了焊接工艺，避免或减少了魏氏组织的产生，成功地完成了设备的修复并投入使用。

[1]宁玫，李志群，孙梅红，等.魏氏组织形成机理及对钢管性能影响的分析研究[J].天津冶金，2008(5):118.

[2]李平瑾,关卫和 ,陆磐谷 ,等.在役压力容器焊接质量的研讨(二)——催化裂化再生器的焊接修复[J].压力容器，2002（4）.

[3]强天鹏.压力容器检验 [M].北京：新华出版社，2008.

[4]陈学东，王冰，关卫和,等.我国石化企业在用压力容器与管道使用现状和缺陷状况分析及失效预防对策[J].压力容器，2001（5）.

[5]陈学东，王冰，杨铁成，等.关于中国CF-62钢制压力容器开裂失效的分析与讨论 [A].见：安徽省装备制造业发展论坛会论文集 [C].2003.

Failure Analysis and Repair of Tower Equipment

Chen Changrong Gu Fuming Lü Huating Zhang Yayu

In a petrochemical company,through cracks were found at the weld fusion line between head and skirt of the extractive distillation column when rinsed in water.The tower head material was analyzed by chemical composition analysis,mechanical properties testing,hardness testing and fracture analysis with SEM.The results showed that the chemical composition and mechanical properties of the material were up to the standards and design requirements,and the cracks belonged to fatigue cracks.The discontinuous structure at the joint of tower head and skirt increased the possibility of fatigue cracks.According to the failure analysis,proposed a feasible welding repair scheme.

Welding;Tower equipment;Fatigue cracking;Welding process,Microstructure;Wind load;Repair

TQ 051.8

*陈长荣，男，1963年生，工程师。上海市，200062。

2012-01-20）