甲醇合成塔焊縫產生裂紋的原因分析及修復

武大勇，申巖迎，吉新杰

(新鄉中新化工有限責任公司，河南 新鄉 453800)

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甲醇合成塔焊縫產生裂紋的原因分析及修復

武大勇，申巖迎，吉新杰

(新鄉中新化工有限責任公司，河南 新鄉 453800)

介紹了甲醇合成塔的主要技術參數以及B6焊縫產生裂紋的狀況，分析了甲醇合成塔B6焊縫產生裂紋的原因，并制定了現場修復方案，總結了修復經驗及應注意的事項。

甲醇合成塔；B6焊縫；裂紋；修復；熱處理；探傷

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.016

甲醇合成塔是甲醇裝置生產中的核心設備，該設備屬三類壓力容器，管程介質為合成工藝氣，主要成分為易燃易爆的CO、H2混合氣體，殼程介質為脫鹽水，壓力5.0MPa，溫度250℃，一旦發生泄漏事故，不僅會造成生產系統停車，還可能帶來人員傷亡事故[1]。新鄉中新化工有限責任公司的甲醇合成塔于2011年9月投入使用，在2016年6月，筒體與下管板連接環焊縫(以下稱B6焊縫)上方熱影響區出現蒸汽外漏，該公司立即停車檢查。對B6焊縫及熱影響區進行UT檢查，發現B6焊縫及上方熱影響區存在較多縱向裂紋，嚴重危及設備的安全使用。該公司立即與蘇州天沃科技股份有限公司以及南京三方化工設備監理有限公司一起對B6焊縫裂紋產生的原因進行了分析，并制定返修方案，包括返修過程中的注意事項。

1 甲醇合成塔結構及主要工藝參數

該甲醇合成塔是典型的水冷型Lurgi甲醇合成反應器，管殼式的結構。管內裝催化劑，管間用脫鹽水，用很大的換熱面積來移去反應熱，達到接近等溫反應的目的。但該反應器結構復雜，上下管板處聯結點和焊點多，制作困難，為防止殼體和管板、管板和反應管之間殘余應力，對材料及制造方面的要求較高。甲醇合成塔簡圖見圖1。

圖1 甲醇合成塔結構示意

該甲醇合成塔尺寸為φ4 000mm×60mm，其受壓元件所采用的材料為：殼程筒體材料為13MnNiMoNbR，管板材料為20MnMoNbⅣ。設備主要技術參數見表1。

表1 甲醇合成塔工藝參數

2 B6環焊縫裂紋狀況

在設備運行過程中，發現B6焊縫上方出現砂眼狀蒸汽泄漏，泄漏位置處于B6焊縫熱影響區。出現泄漏情況后，該公司立即停車進行UT檢測，發現B6焊縫及焊縫上方熱影響區存在較多裂紋，無規則地分布在整條環焊縫及熱影響區，大多數為垂直于焊縫的縱向裂紋(見圖2)，極少數為平行于焊縫的橫向裂紋；大多數裂紋長度為20～50mm，集中在焊縫范圍內，極少數裂紋延伸至熱影響區內；除發生泄漏處裂紋貫穿殼程筒體外，其余裂紋深度距筒體外壁約10～20mm處，未出現穿透筒體現象，但多數裂紋已經裂至筒體內壁，嚴重影響焊縫的強度。

圖2 B6焊縫縱向裂紋

3 B6焊縫裂紋原因分析

該甲醇合成塔殼程介質為脫鹽水，經過了嚴格地除氧、除氯處理，且其他焊縫均未出現裂紋等缺陷，故不存在介質腐蝕問題。由于受限于空間結構，B6環焊縫只能從筒體外側進行單邊焊接雙面成型，焊接質量難以保證。同時，該甲醇合成塔筒體材料為13MnNiMoNbR高強鋼，在焊接過程中需要進行預熱和消氫處理，焊接完成后需要進行消應力熱處理[2]。同樣受限于空間結構，熱處理時只能在筒體表面進行局部熱處理，并且筒體壁厚為60mm，局部熱處理難度進一步加大。而熱處理的任何一個環節處理不到位，都有可能造成焊縫出現裂紋，因此，判斷焊縫裂紋是因熱處理效果不佳而造成的。

4 現場修復方案

根據B6焊縫UT檢測情況，制定了現場返修方案：將B6環焊縫均勻分段進行返修，返修時按照預熱、清除裂紋、補焊、熱處理、探傷檢測及水壓實驗的步驟進行作業。

4.1 預熱

由于是現場進行返修，甲醇合成塔殼體內仍殘存有較多水分，在進行氣刨清除裂紋前，必須要進行充分預熱，將殼體內水分烘干。同時，由于筒體壁厚為60mm，預熱是受甲醇合成塔結構限制，只能在筒體外壁進行局部加熱，因此，應適當延長預熱時間。具體預熱方案為：對B6焊縫及周圍200mm范圍內均勻預熱，預熱溫度達到150～250℃，并持續加熱120min以上，最大限度確保筒體內外壁溫度均勻一致。

4.2 清除裂紋

充分預熱后，使用碳弧氣刨將裂紋缺陷清除干凈，并打磨坡口滲碳層，保溫自然冷卻，刨除裂紋的坡口要圓滑，同時適當控制氣刨角度，便于焊接。自然冷卻至常溫后，對氣刨坡口及缺陷處進行100%PT檢測，以確保裂紋清除干凈。

4.3 補焊

焊接時保證焊接周圍200mm范圍內及焊接層間溫度150～200℃，并按照焊接工藝評定DⅢ-3-2H，WSⅢ-2-1H進行焊接作業[3]。堆焊后適當打磨清理，使得坡口根部便于單邊焊接雙面成型，方可進行坡口焊縫的焊接。焊接后立即進行消氫處理，加熱寬度范圍應超過補焊區域100mm，并設置好保溫措施，加熱溫度應達到消氫處理的溫度范圍，確保熱處理效果[4]。消氫處理的工藝參數按照圖3曲線進行。焊接完成24h后，對焊縫進行100%UT+100%MT檢測，分別為Ⅰ級合格，并對其熱影響區100mm范圍內進行100%UT+100%MT檢測，分別為Ⅰ級合格。

圖3 消氫處理溫度曲線

4.4 焊后熱處理

焊縫檢測合格后，對焊縫及熱影響區進行消應力熱處理。熱處理范圍超過焊縫和補焊區域100mm，并設置好保溫措施，保溫層厚度不小于100mm，確保熱處理過程中受熱均勻[5]。由于現場返修作業，受工況及環境影響，保溫時間可適當延長1～2h，以充分消除焊縫及熱影響區殘余應力。熱處理溫度曲線按圖4進行。

圖4 熱處理溫度曲線

4.5 探傷檢測

熱處理24h后，應對焊縫及其熱影響區100mm范圍內再次進行100%UT+100%MT檢測，分別為Ⅰ級合格。

4.6 水壓試驗

探傷檢查合格后，按照GB150—2011《壓力容器》設計標準，對甲醇合成塔殼體進行水壓試驗，試驗壓力7.58MPa[6]。試驗合格后，應對焊縫及其熱影響區100mm范圍內再次進行100%UT+100%MT檢測復查，分別為Ⅰ級合格。

5 返修總結

甲醇合成塔是甲醇裝置的核心設備，一旦出現設備事故，將會造成不可估量的危害。因此，對出現裂紋的B6焊縫應加大監測頻次，以便盡早發現并消除隱患。同時，在返修過程中應注意以下幾點，以避免再次出現焊接質量事故。

(1)裂紋缺陷必須清除徹底。裂紋缺陷不僅存在于焊縫范圍內，部分裂紋已經延伸到筒體熱影響區，因此，必須將裂紋缺陷徹底清除，以避免返修焊接時再次產生裂紋。

(2)充分預熱。由于甲醇合成塔設備已經投入使用，工藝介質已經進入設備內，而13MnNiMoNbR焊接時容易產生冷裂紋，因此，在返修時應對返修部位充分預熱，以便于消除設備內水汽，避免出現焊接冷裂紋。

(3)做好防雨措施。受露天環境限制，且由于返修作業時間較長，必須要做好相應的防風防雨措施，以避免大風、下雨等惡劣天氣影響焊接質量。

(4)適當延長熱處理保溫時間。由于筒體壁較厚，加之熱處理時是局部加熱，容易出現筒體內外兩側受熱不均，導致筒體內側溫度達不到預熱溫度，因此，熱處理時適當延長保溫時間。

[1]周俊鵬，崔淑芬，李民.20萬噸/年甲醇合成塔制造[C].全國壓力容器學術會議，2009.

[2]李玉虎，劉靜，楊占波.甲醇合成塔的焊接制造[J].壓力容器，2007，24(12)：22-25.

[3]王淑華，邱國洪，邢育新.13MnNiMoNbR高強鋼的焊接[J].焊接技術，2008，37(3)：62-63.

[4]楊曉杰.甲醇合成塔制造中焊接接頭硬度的控制[J].壓力容器，2006，23(5)：52-54.

[5]魏志強，吳清衛.甲醇合成塔環縫開裂的現場檢修[J].壓力容器，2010，27(9)：55-57.

[6]GB150-2011，壓力容器[S].

[7]石建玲，王關林.甲醇合成塔環焊縫開裂原因分析及修復[J].化肥設計，2012，50(3)：27-29.

修改稿日期： 2017-04-13

Crack Analysis and Repair of Weld Seams in Methanol Synthesis

WU Da-yong，SHENG Yan-ying，JI Xin-jie

(XinxiangZhongxinChemicalCo.，Ltd.，XinxiangHenan453800，China)

This paper introduces the main technical parameters of the methanol synthesis tower and the crack state of the B6 weld，analyzes the causes of the crack in the B6 weld of the methanol synthesis tower and makes the plan of the field repair program as well as summarizes the experience of repairing and the matters needing attention.

Methanol synthesis tower；B6 weld；crack；repairing；heat treatment；flaw detection

武大勇(1974年—)，男，河南林州人，1995年畢業于河南化工學校，工程師，現主要從事設備管理工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.016

TQ223.121

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1004-8901(2017)03-0059-03