17管干式除尘器焊缝裂纹失效分析

2014-03-09马卫锋罗金恒陈志昕冯耀荣

焊管 2014年1期

张高，马卫锋，罗金恒，陈志昕，冯耀荣，

（1.西安石油大学石油工程学院，西安710065；2.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710065）

0 前言

压力容器是各种承受气、液介质压力密闭容器的通称，使用中易发生各种事故［1］。近几年我国天然气产业发展快速，在全国各地建设了大量的天然气场站。天然气场站中的地面露天压力容器主要有天然气的储配、调度分流、工艺处理等功能，主要包括分离器、过滤器、除尘器、清管设备等。

多管除尘器是一种利用离心分离的原理进行工作的压力容器，当含尘气体经除尘器入口，通过导向器进入等高排列的旋风子，颗粒在旋风子内受离心力的作用下，经灰斗排出，被净化的气体经芯管排出，达到净化烟气的目的。本研究分析了某17管干式除尘器中焊缝裂纹出现的原因，并提出了相关的建议。

1 基本情况

某干线天然气管道场站位于北方寒冷地区，在全面检测时发现一台服役14年的17管干式除尘器有表面裂纹。该除尘器依据GB 150—1998《钢制压力容器》制造，容器长度为3 697 mm、内径为700 mm，容器材质为20R、厚度22 mm，设计压力6.4 MPa。

经过调研，该17管干式除尘器输送的介质中含有天然气，N2，CO2，H2S及游离水等成分，其中 H2S 的分压为 2.2×10-3～1.04×10-2kPa，依据标准NACE MR0175［2］中酸性环境的定义判断，该工作介质分压小于0.3 kPa，不是酸性气体。该除尘器近3个月的工作压力在3.940~5.433 MPa之间波动，工作温度为2.7~7.7℃。近三年最低环境温度为-27.8℃。

2 检测与试验分析

为了分析裂纹成因，首先对17管干式除尘器进行了表面磁粉无损检测，确定了裂纹位置和长度。然后根据无损检测结果进行取样分析，分别对筒体母材和存在裂纹的焊缝取样进行化学成分分析、力学性能测试、金相试验及扫描电镜形貌分析和能谱分析。

2.1 无损检测

将17管干式除尘器的筒体分为4个截面，每个截面选取6个点，使用超声波测厚仪进行壁厚测量。测量结果显示，除一个截面腐蚀减薄较严重外（减薄量为1.23 mm，腐蚀裕度为2 mm），其他3个截面减薄量小，均未超过腐蚀裕度，厚度均满足使用要求。

使用CJZ-212E磁轭，依据相关标准对筒体以及焊缝进行磁粉无损检测［3］，得到裂纹缺陷的位置及尺寸，如图1所示。其中Z1，Z2为纵向焊缝，H1，H2，H3为环向焊缝。结果表明，除H2焊缝外，其余4条焊缝表面均发现不同长度的裂纹缺陷。所有焊缝外表面裂纹形貌特征相似，选取典型的纵焊缝Z2上的裂纹（长度为250 mm）进行金相和电镜分析。图2为该裂纹的宏观照片。

图1 裂纹位置及尺寸示意图

图2 典型裂纹宏观照片

2.2 化学成分分析

使用ARL 4460直读光谱仪，对母材和焊缝进行化学成分分析，结果见表1。同时对比了GB 6654—1986《压力容器用碳素钢和低合金钢厚钢板》中对该除尘器材质20R钢的化学成分要求，可以看出，4条有裂纹焊缝的Mn含量均高于标准［4］要求，Mn含量超标将降低焊缝的抗腐蚀性能及焊接性能［5-6］。

2.3 力学性能测试

使用SHT 4106万能试验机和WE-600A试验机对母材和纵焊缝分别进行拉伸和弯曲性能测试。拉伸试验取全壁厚板状试样，弯曲试验取矩形试样，试验结果见表2。对比相关标准［5］，得出除尘器的拉伸和弯曲性能满足要求。

采用JBN-500试验机，对17管干式除尘器的筒体和纵焊缝进行夏比冲击性能测试。夏比冲击试样规格为10 mm×10 mm×55 mm的V形缺口试样，试验温度为-20℃和20℃。试验结果见表3。可以看出，筒体及热影响区的夏比冲击功满足标准要求，焊缝Z2的-20℃冲击功小于18 J，不能满足标准［7］要求和技术规定，说明焊缝低温韧性较差。