50萬(wàn)噸合成氨空分低壓塔環(huán)焊縫菱角度超標(biāo)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(tuán)公司50萬(wàn)噸合成氨項(xiàng)目的空分工程低壓塔，因塔體較長(zhǎng)，長(zhǎng)途運(yùn)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(gè)塔分成幾段運(yùn)輸，然后在現(xiàn)場(chǎng)組焊。該低壓塔設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

設(shè)計(jì)壓力：0.18MPa；

塔體內(nèi)徑：3850mm；

設(shè)備長(zhǎng)度：32000 mm；

設(shè)計(jì)溫度：-169℃；

材質(zhì)：304不銹鋼；

介質(zhì)：O2+N2；

名義厚度：10mm；

原定設(shè)備在制造廠完成，整體運(yùn)輸?shù)皆O(shè)備安裝現(xiàn)場(chǎng)，但因塔體較長(zhǎng)，無(wú)法滿足長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)男枰收麄€(gè)塔的制造方案為：塔體分成5段在制造廠完成所有設(shè)備制造工作（包括塔體內(nèi)件的安裝），為考慮設(shè)備在運(yùn)輸過(guò)程中設(shè)備內(nèi)部的清潔，設(shè)備分段筒體兩端用臨時(shí)封頭焊接密封，充0.05MPa氮?dú)獗Ｗo(hù)，然后將設(shè)備分段運(yùn)輸?shù)桨惭b現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組焊。

設(shè)備到達(dá)安裝現(xiàn)場(chǎng)后，將設(shè)備臨時(shí)封頭割下，并將設(shè)備筒節(jié)按照順序進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組焊。

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1 焊縫檢驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)組焊組對(duì)后，對(duì)焊縫進(jìn)行了檢查，焊縫檢驗(yàn)結(jié)果如表1。

根據(jù)GB150－1998《鋼制壓力容器》規(guī)定，設(shè)備菱角度最大為5mm。由表1可以看出，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示從180°～240°范圍內(nèi)棱角度超標(biāo)比較嚴(yán)重，設(shè)備菱角度超標(biāo)最大在240度位置，超過(guò)制造標(biāo)準(zhǔn)1.5mm，由設(shè)備圖可知，在該處設(shè)有一個(gè)φ57的射線檢驗(yàn)接管（如圖2所示）。

現(xiàn)場(chǎng)組焊的環(huán)焊縫經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)棱角度超標(biāo)，具體檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。射線檢驗(yàn)管口方位如圖3所示，表中檢驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示從180°～240°范圍內(nèi)棱角度超標(biāo)比較嚴(yán)重，所以這次應(yīng)力測(cè)試主要針對(duì)這一區(qū)域進(jìn)行。

2 菱角度超標(biāo)分析

經(jīng)分析，產(chǎn)生菱角度超標(biāo)的主要原因如下：

2.1 設(shè)備在運(yùn)輸過(guò)程中，為了保證塔內(nèi)清潔干燥，筒體端部用臨時(shí)封頭密封，運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)后，用氣割方法將封頭割除，然后對(duì)筒體進(jìn)行組焊，設(shè)備材料經(jīng)過(guò)兩次受熱，產(chǎn)生熱收縮從而導(dǎo)致設(shè)備焊接菱角度增加。

2.2 由于設(shè)備是分段制造完成，故設(shè)備塔體內(nèi)件在制造廠已經(jīng)安裝完畢，設(shè)備兩筒體組對(duì)時(shí)，無(wú)法采用雙面焊進(jìn)行焊接，只能在采用設(shè)備筒體內(nèi)壁加墊板并在筒體內(nèi)充氬氣的方式進(jìn)行焊接，設(shè)備在單面焊接的情況下，導(dǎo)致焊縫菱角度增大。

2.3 為了檢測(cè)焊縫質(zhì)量，在該環(huán)焊縫中心70mm處設(shè)有φ57的射線檢驗(yàn)接管，該射線接管離焊縫較近（如圖3所示），焊接過(guò)程中出現(xiàn)多次受熱現(xiàn)象。

為了保證低壓塔安全運(yùn)行，我們對(duì)該環(huán)縫棱角度超標(biāo)部位進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試。根據(jù)設(shè)備的超標(biāo)情況，我們把射線檢驗(yàn)管口方位作為應(yīng)力測(cè)試的主要測(cè)試區(qū)域進(jìn)行。

3 應(yīng)力測(cè)試與分析

應(yīng)力測(cè)試采用型號(hào)為DH3818的靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀兩臺(tái)，在棱角度較大的環(huán)焊縫區(qū)域，沿焊縫進(jìn)行布片。布片方案如圖4所示。

應(yīng)力測(cè)試前先用角向磨光機(jī)和砂皮紙清除焊縫附近表面污垢，然后以有機(jī)溶劑對(duì)貼片位置進(jìn)行擦洗。在每一點(diǎn)分別沿筒體軸向和環(huán)向貼兩片應(yīng)變片，貼片時(shí)做到應(yīng)變片盡量靠近焊縫，應(yīng)變片布置如圖5。貼片完成后分別將應(yīng)變片引線與導(dǎo)線焊接，并與應(yīng)變儀相連。然后檢應(yīng)變片的電阻值，逐點(diǎn)進(jìn)行預(yù)平衡。

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應(yīng)力測(cè)試過(guò)程與壓力試驗(yàn)同步進(jìn)行，因該塔設(shè)計(jì)壓力P=0.18MPa，測(cè)試時(shí)將升壓過(guò)程分為 0.05MPa、0.1 MPa和 0.18 MPa三個(gè)階段，當(dāng)壓力升至上述壓力等級(jí)時(shí)進(jìn)行保壓，并讀取各點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)。該塔內(nèi)徑為3850mm，厚度為10mm，屬于薄壁容器，在內(nèi)壓作用下筒體上的應(yīng)力可近似認(rèn)為是兩向應(yīng)力狀態(tài)，所以在測(cè)量得到的軸向和環(huán)向應(yīng)變基礎(chǔ)上，根據(jù)虎克定律可以計(jì)算各點(diǎn)的軸向和環(huán)向應(yīng)力。測(cè)量應(yīng)變值和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可見(jiàn)，隨著壓力升高，應(yīng)力增大，當(dāng)內(nèi)壓達(dá)到設(shè)計(jì)壓力時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的軸向和環(huán)向應(yīng)力均較大，最大應(yīng)力為第7點(diǎn)的軸向應(yīng)力，數(shù)值為113.5MPa。據(jù)GB150-98《鋼制壓力容器》查得，304不銹鋼板常溫下的許用應(yīng)力為137 MPa，所以實(shí)測(cè)的最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，強(qiáng)度能滿足要求。

4 結(jié)論

4.1 云天化集團(tuán)公司50萬(wàn)噸合成氨項(xiàng)目的空分工程低壓塔，因塔體較長(zhǎng)，長(zhǎng)途運(yùn)輸困難，筒體在制造公司完成分幾段運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)后，按規(guī)范進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組焊；然后在現(xiàn)場(chǎng)組焊。

4.2 環(huán)焊縫經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)棱角度超標(biāo)，特別是在180°～240°范圍內(nèi)棱角度超標(biāo)比較嚴(yán)重，主要原因一是該設(shè)備材料經(jīng)過(guò)兩次受熱，產(chǎn)生熱收縮從而導(dǎo)致設(shè)備焊接菱角度增加，二是設(shè)備分段制造，現(xiàn)場(chǎng)組焊無(wú)法用雙面焊焊接，只能在采用設(shè)備筒體內(nèi)壁加墊板并在筒體內(nèi)充氬氣的方式進(jìn)行焊接，設(shè)備在單面焊接的情況下，導(dǎo)致焊縫菱角度增大。

4.3 經(jīng)過(guò)對(duì)焊縫棱角度超標(biāo)部位的應(yīng)力測(cè)試，其最大應(yīng)力小于GB150-98《鋼制壓力容器》的許用應(yīng)力，因此塔體能滿足強(qiáng)度要求。

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