化工洗滌塔的沖刷減薄研究

劉重陽 陳 藝 湯陳懷 童壯根 王勝輝

（上海市特種設備監督檢驗技術研究院）

2019年，在對某化工裝置中洗滌塔進行定期檢驗時發現，噴淋器口及其所在筒節、下方筒節存在嚴重減薄現象。 經內部宏觀檢驗發現噴淋器口所在筒節及其下方筒節內表面出現大片坑狀、銳槽等表面金屬剝落、 角焊縫裸露的條形缺陷。根據GB/T 30579—2014《承壓設備損傷模式識別》的描述，沖刷是固體、液體或其任意之間組合發生沖擊或相對運動，造成材料表面層機械剝落加速的過程。 沖刷可以在很短的時間內造成材料局部嚴重損失，典型情況下有沖刷形成的坑、溝、銳槽、孔和波紋狀形貌，且具有一定的方向性［1］。 此臺洗滌塔的壁厚減薄屬于典型的沖刷減薄，筆者針對此現象對該臺設備的使用安全進行了評定。

1 設備基本情況

本臺洗滌塔材料為Q345R， 至定期檢驗時（2019年）已使用8年，設計壓力：-0.05/0.30 MPa，設計溫度：250 ℃，介質：光氣（屬于極度危害介質）、HCl、ODB。 設備結構簡圖如圖1所示。

圖1 洗滌塔結構簡圖

2 定期檢驗發現的具體缺陷

經測厚發現接管N2（作為進料口使用）及其所在筒節、下方筒節和接管N4（作為人孔使用）存在嚴重減薄現象。 N2（DN900 mm）公稱厚度20 mm，實測最小厚度9.3 mm；接管N2所在筒節公稱厚度24 mm，實測最小厚度15.8 mm；接管N4公稱厚度18 mm，實測最小厚度12.3 mm；接管N4下方筒節公稱厚度18 mm，實測最小厚度10.0 mm。

經內部宏觀檢驗，發現接管N2的防沖擋板因介質沖刷完全失效，N2所在筒節及其附近筒節內表面出現大片坑狀、銳槽等典型的沖刷導致的表面金屬剝落缺陷（圖2）。

圖2 洗滌塔內表面照片

經內部宏觀檢驗，發現接管N4（DN800 mm）與筒體連接角焊縫焊趾存在多處不連續的條形缺陷，缺陷最長約45 mm，人孔N4角焊縫缺陷照片如圖3所示。

圖3 人孔N4角焊縫缺陷照片

對 接 管N3 （DN800 mm）、N6 （DN50 mm）、N23（DN600 mm）與筒體間的角焊縫進行UT檢測。

由檢測結果可知，接管N3與筒體間的角焊縫存在3處不連續的條形缺陷（圖4a），缺陷最大長度280 mm，缺陷深度13～17 mm；接管N23與筒體間的角焊縫存在2 處不連續條形缺陷（圖4b），缺陷最大長度為260 mm，缺陷深度11～16 mm。

圖4 接管N3、N23缺陷位置示意圖

3 缺陷原因分析及處理

3.1 原因分析

經過定期檢驗，分析缺陷產生的原因可知：

a. 材料。材料的硬度是影響設備耐沖刷性能的重要因素之一， 硬度低的合金易發生沖刷損傷，硬度高的合金耐沖刷能力強。 本臺設備所用材料為Q345R， 正火狀態， 產品試板母材硬度為128～152HV，耐沖刷能力不高。

b. 介質及流速。對每種環境-材料組合，一般都會有一個流速臨界值，大于該臨界值時流體沖擊就會造成金屬損失，在臨界值以上流速越高金屬損失越快，尤其是軟質合金（如銅合金和鋁合金）易受機械損傷，金屬損失嚴重。 本臺洗滌塔在本次定期檢驗周期內曾短期提高產量，導致原N2接口的防沖部件被沖刷至完全失效，失去了防沖作用，進而導致附近筒節沖刷嚴重。 另外，在不斷露出的新鮮金屬表面發生電化學腐蝕，進一步加劇了設備的減薄現象［2］。

c. 制造缺陷。 設備在制造過程中由于焊接不當，導致接管角焊縫存在內部缺陷，焊縫質量把控不嚴，在介質沖刷作用下導致接管N2角焊縫條形缺陷肉眼可見。

3.2 缺陷處理

針對該臺設備，對沖刷最嚴重的接管N2進行整體更換、對接管N4與筒體間的角焊縫、接管N23與筒體間角焊縫進行返修監檢合格后，經UT檢測合格。 對N2所在筒節進行密集測厚，縱向/環向間隔各20 mm，對厚度小于19 mm的區域內壁貼防沖板處理，防止筒體內表面進一步沖刷減薄。

4 安全評定

本臺設備壁厚減薄量已經超過腐蝕裕量（1.5 mm），根據《固定式壓力容器安全技術監察規程》（TSG 21—2016）8.3.11條規定，需進行強度計算；此外，對接管N2、N4及其所在筒節進行應力水平計算，以綜合評定設備的安全性。

4.1 強度計算

根據TSG 21—2016 第8.3.11條， 下次檢驗周期以1年計算，剩余壁厚（實測最小壁厚減去至下次檢驗日期的腐蝕量）為9.0 mm。

根據GB/T 150—2011第3.3條，內壓圓筒計算公式為：

其中，Pc為計算壓力；Di為圓筒內徑；［σ］t為設計溫度下的許用應力；φ為焊接接頭系數。

根據式（1）計算可以得到設備的計算厚度為2.47 mm，小于9.0 mm，故判定強度合格。

4.2 有限元分析

采用ANSYS有限元分析軟件對承壓部件（接管N2、接管N4及其所在筒節）進行應力分析計算。該軟件滿足ASME和JB 4732—1995（2005年確認）的要求。

各部位幾何參數和主要技術參數為：筒體外徑2 648 mm，壁厚15.8 mm，長度2 000 mm，外壓計算長度2 470 mm；接管N2進行了整體更換，接管外徑944 mm，壁厚20 mm，外伸長度326 mm；接管N4外徑836 mm，壁厚12.3 mm，外伸長度256 mm。設計標準GB 150—2011中規定， 材料Q345R的腐蝕裕量1.5 mm，焊接接頭系數1.0。

接管N2所承受的外載荷如圖5所示， 具體數值列于表1。

圖5 接管N2所承受的外載荷

表1 接管N2所承受的外載荷數值

在工況1（設計壓力0.3 MPa，設計溫度250 ℃）下進行計算，將接管N2、N4筒節位置PH-1、PH-2結構危險面作為評定截面，其應力分析結果如圖6所示。

圖6 接管N2、N4筒節應力分析截面示意圖

接管N2、N4筒節部件應力云圖如圖7所示，最大應力出現在筒節與接管N2的連接部位，數值為337.04 MPa。

圖7 工況1下接管N2、N4筒節部件應力云圖

在工況1下，PH-1、PH-2的應力分析和強度評定結果見表2。 PH-1、PH-2截面局部膜應力小于1.5倍許用應力， 局部膜應力+一次彎曲應力小于1.5倍許用應力，符合分析設計規范要求。 該結構在工況1條件下是安全的。

表2 工況1條件下的強度評定數據

在工況2（設計壓力-0.05 MPa，設計溫度250 ℃）下進行計算。 接管N2、N4筒節部件應力云圖如圖8所示。最大應力出現在筒節和接管N4連接部位，數值為265.57 MPa。 模型中一階失穩載荷乘子為14.068，二階失穩載荷乘子為14.171。 筒節穩定性安全系數為3.0， 一階失穩載荷乘子除以筒體穩定性安全系數為：14.068÷3=4.67，大于1.0。因此，在工況2載荷條件下，結構不會失穩。

圖8 工況2下接管N2、N4筒節部件應力云圖

5 預防措施

根據缺陷原因分析和安全評定結果，對該臺設備提出以下預防措施：

a. 設計優化。 選擇合適的結構和尺寸，典型措施有增加管道直徑、降低介質流速，采用流線型彎頭，增加沖刷部位壁厚。

b. 選材。采用耐蝕金屬或合金降低介質腐蝕性，形成更致密的保護膜；采用硬度值高的材料，或增設耐磨襯里，或進行表面強化處理等。

c. 防沖設施。 旋風分離器和滑閥中采用耐沖防火材料效果更好， 熱交換器可設置防沖板，必要時可使用管行護套來減緩沖刷。

d. 工藝改進。 對液體介質進行氣體分離，對氣體介質進行旋風分離除去固體顆粒。

除了上述預防措施以外，還需要對設備進行定期檢驗，設備監控使用1年，使用期間嚴格控制工藝參數，編制應急預案，嚴密監控設備安全情況，一旦發現異常，立即采取停車措施。

6 結束語

本臺壓力容器的缺陷為典型的流體沖刷減薄， 由于使用介質中的光氣為極度危害介質，一旦發生光氣泄漏，將嚴重危害人員生命安全。 筆者采用強度計算、有限元分析等方法對沖刷減薄的洗滌塔進行了安全性分析，結果表明返修處理后的洗滌塔在使用工況下是安全的。 另外，從設計、選材、防沖設施和工藝方面對設備的后續使用給出了建議。