一起直徑２８００ｍｍ碳化塔鋼板夾層原因的探討

姚良標(biāo)

一、前言

2005年8月下旬～9月上旬，我們對閩北某合成氨廠進(jìn)行部分壓力容器全面檢驗(yàn)時(shí)，其中對一臺直徑2800×18／20×15600mm碳化塔采用GB11344-1989《接觸式超聲波脈沖回波法測厚》標(biāo)準(zhǔn)和測厚儀使用要求進(jìn)行布點(diǎn)測厚并根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)TB／T4730．1～4763．6-2005《承壓設(shè)備無損檢測》的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行超聲波探傷，檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該碳化塔部分水箱10#槽鋼支架兩端與塔壁直接焊接部位的簡體，出現(xiàn)有不同程度的呈階梯型鋼板分層，并多為夾層端部產(chǎn)生的傾斜狀裂紋，又稱為傾斜缺陷，這種缺陷在下簡體第一、二筒節(jié)內(nèi)的水箱槽鋼支架兩端與塔壁直接焊接周圍并與筒體、主焊縫熱影響區(qū)更為明顯。

筆者認(rèn)為：對于出現(xiàn)這種缺陷，一方面是100槽鋼與塔體，進(jìn)行直接焊接時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力集中的問題；另一方面存在著氫致裂紋的作用；其次有個(gè)別企業(yè)的個(gè)體承包戶仍然存在著以犧牲安全代價(jià)獲取短期的、局部的利益，檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢定，發(fā)現(xiàn)缺陷，要求予以整改時(shí)，還一拖再拖，這作為現(xiàn)代化企業(yè)的管理者是非常忌諱與錯(cuò)誤的。

二、基本狀況

該碳化塔是由江西化工機(jī)械廠設(shè)計(jì)與制造，設(shè)計(jì)壓力為：殼程(簡體)0．8Mpa；管程(碳化水箱)：0．3Mpa；設(shè)計(jì)溫度：殼程(簡體)50C。管程(水箱)：常溫；制造日期：1991年12月；投用日期：1992年1月；使用壓力：殼程(筒體)＜0．8Mpa；管程(水箱)：0．2Mpa；設(shè)備規(guī)格型號為：直徑2800×18／20×15600mm；容積：78Ms；材質(zhì)：16MnR；工作介質(zhì)：殼程(簡體)，變換氣(即CO．CO₂．H₂S．H₂．N₂·CH₄等)、氨水；管程：清水。

該設(shè)備原在江西某化肥廠服役，于2003年6月轉(zhuǎn)讓福建省閩北某化肥廠。2005年8月下旬，我們對該容器進(jìn)行全面檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)在下筒體第一、二筒節(jié)的水箱支架10,9槽鋼與碳化塔壁直接對接處筒體出現(xiàn)階梯型鋼板分層，塔體內(nèi)壁最薄處為δ2．0mm、δ3．0mm、δ3．5mm、δ7mm、δ8．3mm、δ10．1mm等，在相對應(yīng)的筒體外壁上也分別測出δ14．7mm、δ14．7mm、δ10．1mm以及δ9．2mm、δ7．7mm等不同壁厚的數(shù)據(jù)，同時(shí)自上往下數(shù)第四塊(即“D”筒節(jié))也分別測出δ3．7mm、δ5．3mm、δ7．imm、δ9．3mm不等數(shù)據(jù)，也在相應(yīng)簡體，同等部位的外壁上也分別測出δ13．7mm、δ10．1mm、δ9．0mm、δ7．8mm等不同數(shù)據(jù)，尤其是在下簡體第一、二筒節(jié)幾乎都處在簡體、主焊縫的熱影響區(qū)內(nèi)，并且傾斜缺陷端點(diǎn)距鋼板自由表面的最短距離小于0．4H，所以在超聲波探傷進(jìn)程中，傾斜、夾層、密集夾層、鋼板分層開裂，常出現(xiàn)有紊亂波，則說明鋼板內(nèi)金相組織結(jié)構(gòu)變粗大。

三、傾斜缺陷分析

1、該容器自轉(zhuǎn)入到閩北某化肥廠私企運(yùn)行，首次檢驗(yàn)就檢查出這種鋼板分層的缺陷——階梯型開裂夾層，并且在夾層端面部產(chǎn)生的傾斜狀裂紋(即簡稱為傾斜缺陷)，同時(shí)這種缺陷幾乎都發(fā)生在水箱支架即10#槽鋼與塔內(nèi)壁直接對接處，并都處于簡體主焊縫熱影響區(qū)間內(nèi)，這種的對接形式，對其應(yīng)力又疊加集中的消除極為不利(如圖1所示)，因?yàn)樵撊萜鳛榉磻?yīng)式容器，作為碳化塔，碳化即是將變換氣中大量的二氧化碳用氨水來吸收而制成肥料——碳酸氫銨，NH₃+H₂O+CO₂→NH₄HCO₃的這樣一個(gè)反應(yīng)過程，當(dāng)Pw＜0．8Mpa的變換氣進(jìn)入碳化塔與氨水起反應(yīng)吸收變換氣中的CO₂，生成碳酸氫銨懸浮液，當(dāng)懸浮液生成越多，氣體阻力越大，氣壓越往懸浮液面或氣液交界空間上竄，當(dāng)懸浮液被取出分離、氣壓則又會(huì)慢慢往下壓；如此反復(fù)多次的不斷結(jié)晶的形成(氣壓住上竄)與取出(氣壓往下壓)，槽鋼則不斷在作反復(fù)交變，由于槽鋼與塔內(nèi)壁直接對焊形成的應(yīng)力集中又受到反復(fù)交變載荷的作用，加上處在筒體主焊縫的熱影響區(qū)施焊，受熱后結(jié)晶變粗大疏松，再加上槽鋼支架上的水箱重負(fù)，所以極易將塔體的鋼板撕裂。

2、另外，由于該碳化塔長期處于與變換氣含有一定量的硫化氫起反應(yīng)，變換氣中含有一定量的硫化氫在水中會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)，并生成具有非常強(qiáng)的活性原子態(tài)[H]，這種[H]原子一部分吸附在鋼板表面并復(fù)合成氣態(tài)氫即H₂，從原料氣中逸出；另一部分則向金屬內(nèi)部擴(kuò)散富集，過飽和的原子態(tài)氫遇到夾雜物、空穴等缺陷結(jié)合成分子氫；分子氫所產(chǎn)生的壓力造成了氫致開裂分層，氫致開裂會(huì)引起材料強(qiáng)度和韌性的降低，從而會(huì)減少塔體的使用壽命，嚴(yán)重則會(huì)造成塔體強(qiáng)度不足泄漏與爆炸，尤其是當(dāng)鋼板自由表面夾角≥10。或傾斜缺陷，尤其靠近焊縫的熱影響區(qū)時(shí)，其安全狀況等級定為4級，檢驗(yàn)人員根據(jù)《在用壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》(簡稱《檢規(guī)》)的要求，應(yīng)作返修復(fù)檢。

3、氫致分層深度的測定當(dāng)氫致開裂比較嚴(yán)重時(shí)，即在檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)底面網(wǎng)波和缺陷網(wǎng)波都很低。為了對塔體進(jìn)行綜合分析評定用直探頭在內(nèi)壁來測量氫致分層的嘗試很困難，甚至不可能。因?yàn)闊晒馄辽先毕莶ǚ瓷浜艿汀⑶译s亂，在檢測時(shí)，使用了斜探頭在內(nèi)壁與外壁來測量。結(jié)果(如圖2所示)。

四、傾斜缺陷的處理

1、如何消除應(yīng)力集中造成的傾斜缺陷。鑒于如何消除碳化塔10#槽鋼直接與簡體對焊接而產(chǎn)生的應(yīng)力集中，并由于生產(chǎn)中結(jié)晶的形成與取出，致槽鋼受反復(fù)交變載荷的作用，將簡體鋼板撕裂成階梯分層，筆者以為，應(yīng)在槽鋼與簡體對接處之間增貼一塊δ12～14mm厚，寬為100～120mm的加強(qiáng)板，這樣既可將槽鋼與筒節(jié)直接對焊產(chǎn)生的應(yīng)力給予分散，同時(shí)一旦再出現(xiàn)交變載荷，槽鋼也不過只會(huì)將加強(qiáng)板撕裂，不易再將塔體鋼板撕裂，也便利于對加強(qiáng)板的維修與加固(如圖3所示)，在施焊加強(qiáng)板時(shí)尤其在處于筒節(jié)主焊縫熱影響區(qū)時(shí)，應(yīng)強(qiáng)化錘擊以消除焊接應(yīng)力，應(yīng)盡可能形成予應(yīng)力，并以此來控制應(yīng)力腐蝕。

此外，應(yīng)定期檢驗(yàn)，通過定期檢驗(yàn)及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷，一經(jīng)檢出缺陷，即應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)。

2、對于原料氣中的硫化氫對鋼板的氫致腐蝕而造成的氫致裂紋。從合成氮化工生產(chǎn)的角度，本身硫化氫未去除，則會(huì)嚴(yán)重腐蝕設(shè)備與管道，并能使變換爐內(nèi)與合成塔中的觸媒“中毒”對生產(chǎn)影響甚大，故此合成氨生產(chǎn)企業(yè)基本上采用稀氨水脫硫，去除半水煤氣中的絕大部分硫化氫。所以為了避免氫致開裂引起的鋼材強(qiáng)度和韌性的降低，從而影響設(shè)備的使用壽命，在降低硫化氫含量的同時(shí)，要通過定期檢驗(yàn)來模清塔體，板材中的缺陷情況，以便及時(shí)作出安全使用評估，尤其是在濕硫化氫腐蝕開始階段的消除，對鋼板氫致分層的產(chǎn)生預(yù)防與消除有著一定的意義。

五、結(jié)束語

鋼板廣泛應(yīng)用于鍋爐、壓力容器等設(shè)備制造中。鋼板夾層又是鋼板制造中的缺陷，它會(huì)在設(shè)備制造和使用過程中產(chǎn)生新缺陷。例如：制造時(shí)鋼板坡口部位的夾層在焊接過程中容易產(chǎn)生焊接缺陷，儲如氣孔、夾雜、裂紋等；使用過程中，夾層部位會(huì)伴生新缺陷，特別是含有殘液、雜質(zhì)、硫化氫水溶液的化工原料氣，容易使氫原子向鋼板夾層部位擴(kuò)散、聚集，使材質(zhì)脆化，產(chǎn)生氫致裂紋，氫鼓包、以及氫腐蝕等操作現(xiàn)象。因此預(yù)防鋼板夾層缺陷引起的設(shè)備安全隱患，必須在嚴(yán)格鋼板質(zhì)量控制與檢測標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備檢驗(yàn)與檢修規(guī)范、安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程及舊容器轉(zhuǎn)讓等方面，采取相應(yīng)措施，規(guī)定必要的條款以引起制造與使用，監(jiān)察與管理各方的重視，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除隱患，杜絕事故的發(fā)生。確保企業(yè)在安全生產(chǎn)的前提下，為企業(yè)的發(fā)展作出更大貢獻(xiàn)!