PSA提氫裝置吸附塔裂紋原因分析及處理措施

秦 杰

(陽煤集團太原化工新材料有限公司，山西 清徐 030400)

陽煤集團太原化工新材料有限公司的PSA提氫裝置于2016年9月投料運行。主要任務是將來自凈化低溫甲醇洗裝置的原料氣(氫氣純度98.79%)經過PSA吸附塔提純后進入一、二級精脫硫塔深度脫硫脫氧產出合格的氫氣(氫氣純度99.9%)，外送下游工段。PSA提氫裝置工作過程包括吸附、均壓、順放、逆放、沖洗和升壓等過程，工藝流程采用四川同盛科技有限責任公司的10-2-5/P時序，即10個吸附塔、2個在線吸附、5次均壓的工藝流程。

1 吸附塔技術參數

吸附塔的設計制造依據為JB4732-95(2005年確認)，設計壓力3.7 MPa(G)，設計溫度60 ℃，工作溫度30 ℃，操作壓力0.01MPa～3.0 MPa(G),設備規格DN1 600 mm×11 136 mm×22 mm,材料Q345R(正火)，設計使用壽命20年，總循環次數300 000次，主要介質：H2:98.79%，CO:0.74%，N2:0.47%。

10個吸附塔為該裝置的核心設備，承受循環壓力，容器類別為Ⅲ類。

2 裂紋發現情況

2020年9月28日15：20分，當班操作工在巡檢至PSA裝置時聽到B吸附塔附近有明顯氣體泄漏的聲音，且在B塔終充開始到吸附結束這一段時間聲音最大，經現場仔細觀察發現B吸附塔筒體7 m處有一處明顯裂紋，操作工立即用防爆對講機告知中控將B塔切出系統。

吸附塔由4節筒體組成，經筒體外部搭腳手架發現裂紋在第二節筒體縱焊縫處(約10 cm)。

3 裂紋原因分析

裂紋出現后，我公司立即對該塔進行卸劑檢測，委托檢測公司對裂紋處以及其余焊縫處進行了超聲及射線檢測，并對裂紋附近母材進行了側厚檢測。裂紋檢測圖，如圖1所示。

圖1 裂紋檢測圖

1) 通過射線及超聲檢測最終確定為貫穿裂紋，裂紋長度150 mm，H=8 mm～22 mm，波幅SL+6 db。

2) 通過對裂紋附近母材多點測厚，厚度正常，沒有明顯的腐蝕及塑性變形。

吸附塔屬于典型的疲勞容器，按照JB4732-95(2005年確認)進行分析設計，該吸附塔的設計使用年限20年，實際使用不到4年(循環次數不到60 000次)投入使用這么短時間內，就發現焊縫處有貫穿性裂紋，潛在原因可能是①超設計工況運行；②裂縫處焊縫的焊接缺陷；③長期在交變載荷作用下，焊縫應力集中導致裂紋。

通過調取吸附塔一年內的運行數據，操作壓力0.01 MPa～3.0 MPa(G)，操作溫度18 ℃～20 ℃，符合設計要求范圍。經查閱壓力容器產品質量證明書，全部焊縫有當地鍋檢所出具的焊縫探傷檢測報告，可以排除前兩條可能導致出現裂紋的原因[2]。

該塔于2016年9月投用，2018年9月對其進行了首次定檢，由于吸附塔內吸附劑不便卸出，定期檢驗時在吸附劑的外壁對焊縫進行了測厚、超聲、PT檢測，檢驗未發現任何問題，安全狀況等級為3級。

綜上所述，認為裂紋產生的原因是吸附塔在長期的交變載荷下，在焊縫處存在未消除的應力，從而導致焊縫出現貫穿裂紋。

4 裂紋的處理

1) 對缺陷的部位進行檢查(用目視、磁粉或著色進行檢查)，確認缺陷的位置后將缺陷部位清除干凈，用碳弧氣刨清理，直到將裂紋缺陷刨掉為止，用磨光機將滲碳層、雜質等附著物磨掉并露出金屬光澤，為確保缺陷清除干凈應進行PT-100%檢測，符合NB/T47013.5-2015中規定的Ⅰ級合格。

2) 焊接技術要求：焊條采用直徑Φ2.5 mm～4 mm的J507RH焊條進行焊接，將焊條按要求進行烘干(按標準NB/T47015-2011要求)。每層焊接時要認真清理焊渣，合格后再進行下一層的焊接。

3) 無損檢測：委托當地鍋檢所進行100%射線探傷檢查，符合NB/T47013.4-2015中規定的Ⅰ級為合格。

4) 消除應力熱處理：消除應力熱處理采用局部熱處理，熱處理采用電加熱帶進行加熱，應嚴格按工藝參數表規定執行，熱處理時應定專人負責并觀察溫度變化，防止過熱。升溫及保溫時應控制加熱區氣氛，防止焊縫表面過度氧化。一般情況下，升溫速度和降溫速度不低于55 ℃/h。

5) 熱處理參數：加熱過程中當溫度達到300 ℃時應控溫升速，升溫速度不得大于80 ℃/h，溫度上升到620 ℃時保溫3 h，然后降溫，當溫度高于300 ℃時應控溫降溫，降溫速度不得大于100 ℃/h，當溫度下降到300 ℃時可自然冷卻。熱處理過程中要采用熱電偶測溫隨時對加熱區域進行測溫，以保證加熱區的溫度符合熱處理工藝要求。熱處理時間溫度曲線，如圖2所示。

圖2 熱處理時間—溫度曲線圖

6) 水壓試驗：備齊試壓用盲板、閥門、法蘭、螺栓、螺母、墊片及在校驗周期的壓力表(量程滿足要求)等部件。按要求組裝緊固各零部件，緊固螺栓應對稱緊固。殼體內充滿大于5 ℃的水，將容器內空氣排凈，試壓過程保持表面干燥。當容器壁溫與液體溫度接近時，才能緩慢升至設計壓力3.7 MPa，確認無泄漏后繼續升壓到試驗壓力4.625 MPa，保壓足夠時間，然后降至設計壓力3.7 MPa，保壓30 min進行檢查，檢查期間壓力應保持不變。試驗合格，應將水排凈，并用壓縮空氣將內部吹干。

5 結語

吸附塔的裂紋產生主要是由于筒壁第二節焊縫處存在殘余應力，在長期交變載荷下形成貫穿裂紋。經過多次研究，采取了相應的檢修措施，取得圓滿的檢修效果，日后對于承受交變載荷的壓力容器的檢驗要區別對待，要特別引起重視。