化工洗涤塔的冲刷减薄研究

刘重阳 陈 艺 汤陈怀 童壮根 王胜辉

（上海市特种设备监督检验技术研究院）

2019年，在对某化工装置中洗涤塔进行定期检验时发现，喷淋器口及其所在筒节、下方筒节存在严重减薄现象。 经内部宏观检验发现喷淋器口所在筒节及其下方筒节内表面出现大片坑状、锐槽等表面金属剥落、 角焊缝裸露的条形缺陷。根据GB/T 30579—2014《承压设备损伤模式识别》的描述，冲刷是固体、液体或其任意之间组合发生冲击或相对运动，造成材料表面层机械剥落加速的过程。 冲刷可以在很短的时间内造成材料局部严重损失，典型情况下有冲刷形成的坑、沟、锐槽、孔和波纹状形貌，且具有一定的方向性［1］。 此台洗涤塔的壁厚减薄属于典型的冲刷减薄，笔者针对此现象对该台设备的使用安全进行了评定。

1 设备基本情况

本台洗涤塔材料为Q345R， 至定期检验时（2019年）已使用8年，设计压力：-0.05/0.30 MPa，设计温度：250 ℃，介质：光气（属于极度危害介质）、HCl、ODB。 设备结构简图如图1所示。

图1 洗涤塔结构简图

2 定期检验发现的具体缺陷

经测厚发现接管N2（作为进料口使用）及其所在筒节、下方筒节和接管N4（作为人孔使用）存在严重减薄现象。 N2（DN900 mm）公称厚度20 mm，实测最小厚度9.3 mm；接管N2所在筒节公称厚度24 mm，实测最小厚度15.8 mm；接管N4公称厚度18 mm，实测最小厚度12.3 mm；接管N4下方筒节公称厚度18 mm，实测最小厚度10.0 mm。

经内部宏观检验，发现接管N2的防冲挡板因介质冲刷完全失效，N2所在筒节及其附近筒节内表面出现大片坑状、锐槽等典型的冲刷导致的表面金属剥落缺陷（图2）。

图2 洗涤塔内表面照片

经内部宏观检验，发现接管N4（DN800 mm）与筒体连接角焊缝焊趾存在多处不连续的条形缺陷，缺陷最长约45 mm，人孔N4角焊缝缺陷照片如图3所示。

图3 人孔N4角焊缝缺陷照片

对 接 管N3 （DN800 mm）、N6 （DN50 mm）、N23（DN600 mm）与筒体间的角焊缝进行UT检测。

由检测结果可知，接管N3与筒体间的角焊缝存在3处不连续的条形缺陷（图4a），缺陷最大长度280 mm，缺陷深度13～17 mm；接管N23与筒体间的角焊缝存在2 处不连续条形缺陷（图4b），缺陷最大长度为260 mm，缺陷深度11～16 mm。

图4 接管N3、N23缺陷位置示意图

3 缺陷原因分析及处理

3.1 原因分析

经过定期检验，分析缺陷产生的原因可知：

a. 材料。材料的硬度是影响设备耐冲刷性能的重要因素之一， 硬度低的合金易发生冲刷损伤，硬度高的合金耐冲刷能力强。 本台设备所用材料为Q345R， 正火状态， 产品试板母材硬度为128～152HV，耐冲刷能力不高。

b. 介质及流速。对每种环境-材料组合，一般都会有一个流速临界值，大于该临界值时流体冲击就会造成金属损失，在临界值以上流速越高金属损失越快，尤其是软质合金（如铜合金和铝合金）易受机械损伤，金属损失严重。 本台洗涤塔在本次定期检验周期内曾短期提高产量，导致原N2接口的防冲部件被冲刷至完全失效，失去了防冲作用，进而导致附近筒节冲刷严重。 另外，在不断露出的新鲜金属表面发生电化学腐蚀，进一步加剧了设备的减薄现象［2］。

c. 制造缺陷。 设备在制造过程中由于焊接不当，导致接管角焊缝存在内部缺陷，焊缝质量把控不严，在介质冲刷作用下导致接管N2角焊缝条形缺陷肉眼可见。

3.2 缺陷处理

针对该台设备，对冲刷最严重的接管N2进行整体更换、对接管N4与筒体间的角焊缝、接管N23与筒体间角焊缝进行返修监检合格后，经UT检测合格。 对N2所在筒节进行密集测厚，纵向/环向间隔各20 mm，对厚度小于19 mm的区域内壁贴防冲板处理，防止筒体内表面进一步冲刷减薄。

4 安全评定

本台设备壁厚减薄量已经超过腐蚀裕量（1.5 mm），根据《固定式压力容器安全技术监察规程》（TSG 21—2016）8.3.11条规定，需进行强度计算；此外，对接管N2、N4及其所在筒节进行应力水平计算，以综合评定设备的安全性。

4.1 强度计算

根据TSG 21—2016 第8.3.11条， 下次检验周期以1年计算，剩余壁厚（实测最小壁厚减去至下次检验日期的腐蚀量）为9.0 mm。

根据GB/T 150—2011第3.3条，内压圆筒计算公式为：

其中，Pc为计算压力；Di为圆筒内径；［σ］t为设计温度下的许用应力；φ为焊接接头系数。

根据式（1）计算可以得到设备的计算厚度为2.47 mm，小于9.0 mm，故判定强度合格。

4.2 有限元分析

采用ANSYS有限元分析软件对承压部件（接管N2、接管N4及其所在筒节）进行应力分析计算。该软件满足ASME和JB 4732—1995（2005年确认）的要求。

各部位几何参数和主要技术参数为：筒体外径2 648 mm，壁厚15.8 mm，长度2 000 mm，外压计算长度2 470 mm；接管N2进行了整体更换，接管外径944 mm，壁厚20 mm，外伸长度326 mm；接管N4外径836 mm，壁厚12.3 mm，外伸长度256 mm。设计标准GB 150—2011中规定， 材料Q345R的腐蚀裕量1.5 mm，焊接接头系数1.0。

接管N2所承受的外载荷如图5所示， 具体数值列于表1。

图5 接管N2所承受的外载荷

表1 接管N2所承受的外载荷数值

在工况1（设计压力0.3 MPa，设计温度250 ℃）下进行计算，将接管N2、N4筒节位置PH-1、PH-2结构危险面作为评定截面，其应力分析结果如图6所示。

图6 接管N2、N4筒节应力分析截面示意图

接管N2、N4筒节部件应力云图如图7所示，最大应力出现在筒节与接管N2的连接部位，数值为337.04 MPa。

图7 工况1下接管N2、N4筒节部件应力云图

在工况1下，PH-1、PH-2的应力分析和强度评定结果见表2。 PH-1、PH-2截面局部膜应力小于1.5倍许用应力， 局部膜应力+一次弯曲应力小于1.5倍许用应力，符合分析设计规范要求。 该结构在工况1条件下是安全的。

表2 工况1条件下的强度评定数据

在工况2（设计压力-0.05 MPa，设计温度250 ℃）下进行计算。 接管N2、N4筒节部件应力云图如图8所示。最大应力出现在筒节和接管N4连接部位，数值为265.57 MPa。 模型中一阶失稳载荷乘子为14.068，二阶失稳载荷乘子为14.171。 筒节稳定性安全系数为3.0， 一阶失稳载荷乘子除以筒体稳定性安全系数为：14.068÷3=4.67，大于1.0。因此，在工况2载荷条件下，结构不会失稳。

图8 工况2下接管N2、N4筒节部件应力云图

5 预防措施

根据缺陷原因分析和安全评定结果，对该台设备提出以下预防措施：

a. 设计优化。 选择合适的结构和尺寸，典型措施有增加管道直径、降低介质流速，采用流线型弯头，增加冲刷部位壁厚。

b. 选材。采用耐蚀金属或合金降低介质腐蚀性，形成更致密的保护膜；采用硬度值高的材料，或增设耐磨衬里，或进行表面强化处理等。

c. 防冲设施。 旋风分离器和滑阀中采用耐冲防火材料效果更好， 热交换器可设置防冲板，必要时可使用管行护套来减缓冲刷。

d. 工艺改进。 对液体介质进行气体分离，对气体介质进行旋风分离除去固体颗粒。

除了上述预防措施以外，还需要对设备进行定期检验，设备监控使用1年，使用期间严格控制工艺参数，编制应急预案，严密监控设备安全情况，一旦发现异常，立即采取停车措施。

6 结束语

本台压力容器的缺陷为典型的流体冲刷减薄， 由于使用介质中的光气为极度危害介质，一旦发生光气泄漏，将严重危害人员生命安全。 笔者采用强度计算、有限元分析等方法对冲刷减薄的洗涤塔进行了安全性分析，结果表明返修处理后的洗涤塔在使用工况下是安全的。 另外，从设计、选材、防冲设施和工艺方面对设备的后续使用给出了建议。