50萬噸合成氨空分低壓塔環焊縫菱角度超標原因分析

高竹云

（云南天鴻化工工程股份有限公司，云南 昆明 650093）

液化空氣（杭州）有限公司承建的云天化集團公司50萬噸合成氨項目的空分工程低壓塔，因塔體較長，長途運輸困難，筒體制造在液化空氣（杭州）有限公司完成。所以將整個塔分成幾段運輸，然后在現場組焊。該低壓塔設計參數如下：

設計壓力：0.18MPa；

塔體內徑：3850mm；

設備長度：32000 mm；

設計溫度：-169℃；

材質：304不銹鋼；

介質：O2+N2；

名義厚度：10mm；

原定設備在制造廠完成，整體運輸到設備安裝現場，但因塔體較長，無法滿足長途運輸的需要，故整個塔的制造方案為：塔體分成5段在制造廠完成所有設備制造工作（包括塔體內件的安裝），為考慮設備在運輸過程中設備內部的清潔，設備分段筒體兩端用臨時封頭焊接密封，充0.05MPa氮氣保護，然后將設備分段運輸到安裝現場進行現場組焊。

設備到達安裝現場后，將設備臨時封頭割下，并將設備筒節按照順序進行現場組焊。

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1 焊縫檢驗結果

現場組焊組對后，對焊縫進行了檢查，焊縫檢驗結果如表1。

根據GB150－1998《鋼制壓力容器》規定，設備菱角度最大為5mm。由表1可以看出，檢驗數據顯示從180°～240°范圍內棱角度超標比較嚴重，設備菱角度超標最大在240度位置，超過制造標準1.5mm，由設備圖可知，在該處設有一個φ57的射線檢驗接管（如圖2所示）。

現場組焊的環焊縫經檢驗發現棱角度超標，具體檢驗結果如表1所示。射線檢驗管口方位如圖3所示，表中檢驗數據顯示從180°～240°范圍內棱角度超標比較嚴重，所以這次應力測試主要針對這一區域進行。

2 菱角度超標分析

經分析，產生菱角度超標的主要原因如下：

2.1 設備在運輸過程中，為了保證塔內清潔干燥，筒體端部用臨時封頭密封，運抵現場后，用氣割方法將封頭割除，然后對筒體進行組焊，設備材料經過兩次受熱，產生熱收縮從而導致設備焊接菱角度增加。

2.2 由于設備是分段制造完成，故設備塔體內件在制造廠已經安裝完畢，設備兩筒體組對時，無法采用雙面焊進行焊接，只能在采用設備筒體內壁加墊板并在筒體內充氬氣的方式進行焊接，設備在單面焊接的情況下，導致焊縫菱角度增大。

2.3 為了檢測焊縫質量，在該環焊縫中心70mm處設有φ57的射線檢驗接管，該射線接管離焊縫較近（如圖3所示），焊接過程中出現多次受熱現象。

為了保證低壓塔安全運行，我們對該環縫棱角度超標部位進行應力測試。根據設備的超標情況，我們把射線檢驗管口方位作為應力測試的主要測試區域進行。

3 應力測試與分析

應力測試采用型號為DH3818的靜態應變測試儀兩臺，在棱角度較大的環焊縫區域，沿焊縫進行布片。布片方案如圖4所示。

應力測試前先用角向磨光機和砂皮紙清除焊縫附近表面污垢，然后以有機溶劑對貼片位置進行擦洗。在每一點分別沿筒體軸向和環向貼兩片應變片，貼片時做到應變片盡量靠近焊縫，應變片布置如圖5。貼片完成后分別將應變片引線與導線焊接，并與應變儀相連。然后檢應變片的電阻值，逐點進行預平衡。

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應力測試過程與壓力試驗同步進行，因該塔設計壓力P=0.18MPa，測試時將升壓過程分為 0.05MPa、0.1 MPa和 0.18 MPa三個階段，當壓力升至上述壓力等級時進行保壓，并讀取各點的應變數據。該塔內徑為3850mm，厚度為10mm，屬于薄壁容器，在內壓作用下筒體上的應力可近似認為是兩向應力狀態，所以在測量得到的軸向和環向應變基礎上，根據虎克定律可以計算各點的軸向和環向應力。測量應變值和應力計算結果見表2。

由表2可見，隨著壓力升高，應力增大，當內壓達到設計壓力時，各測點的軸向和環向應力均較大，最大應力為第7點的軸向應力，數值為113.5MPa。據GB150-98《鋼制壓力容器》查得，304不銹鋼板常溫下的許用應力為137 MPa，所以實測的最大應力小于許用應力，強度能滿足要求。

4 結論

4.1 云天化集團公司50萬噸合成氨項目的空分工程低壓塔，因塔體較長，長途運輸困難，筒體在制造公司完成分幾段運輸到現場后，按規范進行現場組焊；然后在現場組焊。

4.2 環焊縫經檢驗發現棱角度超標，特別是在180°～240°范圍內棱角度超標比較嚴重，主要原因一是該設備材料經過兩次受熱，產生熱收縮從而導致設備焊接菱角度增加，二是設備分段制造，現場組焊無法用雙面焊焊接，只能在采用設備筒體內壁加墊板并在筒體內充氬氣的方式進行焊接，設備在單面焊接的情況下，導致焊縫菱角度增大。

4.3 經過對焊縫棱角度超標部位的應力測試，其最大應力小于GB150-98《鋼制壓力容器》的許用應力，因此塔體能滿足強度要求。

[1]國家技術監督局.GB150-1998鋼制壓力容器[M].北京：中國標準出版社.1998.

[2]鄭津洋等.過程設備設計[M].北京：化學工業出版社.2001.

[3]袁彪.在用壓力容器焊縫錯邊量和棱角度的檢驗與評定[J].壓力容器，2001，8(6).

[4]劉大轟.在役壓力容器上超標缺陷的評定[J].安全，1995(4).

[5]岑漢釗.化工機械測試技術[M].北京,化學工業出版社.1989.

[6]蒲汝軍,王殿柱.關于測量錯邊與棱角度的方法[J].壓力容器，2001(1).