吸附塔裂纹产生原因分析及修复处理

宋买官 高 博 李崇勇

（中国石油辽阳石油化纤公司机械厂 辽宁辽阳）

吸附塔是变压吸附工艺中的关键设备，工作过程中需要反复承受内部压力波动。编号C921的吸附塔投入使用后不到3年便发生了泄漏。经检测后发现保温层托圈与吸附塔筒体连接处出现了裂纹。分析裂纹产生原因，以便采取相应措施。

一、吸附塔裂纹位置及情况

吸附塔如图1所示。容器内直径2400 mm，主体材料Q345R，壁厚 26 mm，容积 39.49 m3，设计压力 2.97 MPa，设计温度60℃，工作介质原料气（H2、CH4等），正常工作压力 0.02～2.6 MPa，最高工作压力2.7 MPa，工作温度40℃，设备操作重45 290 kg。

图1 吸附塔

二、裂纹具体情况描述

外操人员在不间断巡检时感觉有声音异常，根据经验判断出现泄漏；经氢气报警仪进行检测，确认C921吸附塔泄漏。在保温去除后发现罐体中间出现一道裂纹，长度23 cm。用肥皂水试漏，发现大量气泡，确认塔体出现裂纹。

三、裂纹产生原因

裂纹是一种非常危险的缺陷，虽然从断裂力学的角度看，允许存在一定尺寸的裂纹。但压力容器内外表面的裂纹与腐蚀介质（工作介质或大气）直接接触，很容易发生腐蚀扩展，而且其扩展速率一般难以掌握，所以从偏保守的角度，不允许存在裂纹。裂纹大多存在于焊缝金属内，当局部应力超过材料极限强度时，母材中也会产生裂纹。裂纹处总伴随有不同程度的应力集中，往往由母材或焊缝金属几何缺口和冶金缺口的应力集中所诱发。

图2 C921裂纹照片

针对现场裂纹产生部位，建立吸附塔的有限元分析模型，计算和分析内压工作载荷和自重载荷作用下吸附塔应力分布，按照JB 4732——1994《钢制压力容器-分析设计标准》附录C的方法，对吸附塔在0.02～2.6 MPa交变内压作用下的疲劳寿命进行评估，从而发现裂纹产生的原因。通过对吸附塔进行有限元应力分析、强度校核和疲劳寿命评估，结果表明5点。

（1）如果不考虑保温层托圈局部区域影响，根据名义厚度计算，在正常操作情况下，吸附塔的上、下封头和筒体均满足强度要求。

（2）吸附塔的外接不连续保温层托圈会引起严重的应力集中，上、下托圈区域最大应力集中系数分别是4.92和6.18，均出现于托圈环板不连续端面与容器壳体连接的角焊缝根部中心。

（3）0.02～2.6 MPa交变内压作用下，吸附塔上托圈区域最大疲劳交变应力强度幅值为256.41 MPa，下托圈区域最大疲劳交变应力强度幅值为324.23 MPa，均出现于托圈环板不连续端面与容器壳体连接的角焊缝根部中心。

（4）根据JB 4732—1994《钢制压力容器-分析设计标准》附录C，0.02～2.6 MPa交变内压作用下，上托圈区域最小疲劳循环次数为1.08万次，仅为设计疲劳寿命的1.1%。下托圈区域最小疲劳循环次数为0.53万次，不到设计疲劳寿命的0.6%。

（5）吸附塔外接不连续保温层托圈结构会引起严重的应力集中，从而显著降低吸附塔的疲劳寿命，这是吸附塔出现疲劳失效的主要原因。

四、裂纹修复方案确定

经各专业研究，结合现场实际，最终决定去掉筒体和封头处保温层托圈，打磨残余的角焊缝至母材齐平，保证修磨区的平滑。使用砂轮修磨清除裂纹，渗透检测或磁粉检测确认裂纹清除干净，见金属光泽、除去渗碳层。焊接坡口及两侧各25 mm范围内除去影响焊接的油、锈、污物、渗透检测药剂，清理、清洗干净后再进行补焊。

图3 保温层托圈与筒体焊接示意图

采用焊条电弧焊补焊，焊前对坡口及两侧≥100 mm范围预热至80℃，焊工持证SMAW-FeⅢ-6G-12/75-Fef3J，不允许使用工艺所给以外的大直径焊条。立焊时，采 用 E5015，Φ2.5 mm 或Φ3.2 mm 焊条，焊接电流I=70～90 A/90～120 A， 焊接电压 U=22～32 V， 坡口 V焊=36～42 mm/50～55 mm/根。 焊前预热至80℃，层温80～120℃，焊后砂轮修磨补焊部位与周围母材平齐。

图4 砂轮打磨后示意图

无损检测。检测范围在返修范围两侧端部加大50 mm，按JB/T 4730—2005进行100%超声Ⅰ级合格，100%磁粉Ⅰ级合格。外观清理。彻底除锈，涂底漆2遍，铁红醇酸底漆，每层漆膜厚度 35 μm。

五、总结

对吸附塔产生的裂纹，分析裂纹产生原因，确认吸附塔外接不连续保温层托圈结构引起严重的应力集中，从而导致吸附塔出现裂纹。经多次研究，采取相应修复措施，取得圆满检修效果。