中壓汽水分離器接管角焊縫裂紋產生原因分析

王 十 張國晉 譚 隆 田志勇

（1.中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

（2.中國石化上海高橋石油化工有限公司 上海 200129）

石化企業連續重整裝置汽水分離器屬于壓力容器范疇。隨著國內石油化工業的迅速發展,壓力容器由于各種失效原因造成的緊急停車時有發生[1]。中壓除氧水經加熱爐加熱汽化送往汽水分離器,除氧水在汽化過程中并未充分汽化,使生成的中壓蒸汽中有液態水存在,含液態水的兩相流水蒸氣會對管道或設備造成嚴重的沖刷減薄,影響設備或管道的安全使用[2]。汽水分離器的作用是利用氣液分離的原理分離出水蒸氣中含有的多余的水分,形成干飽和蒸汽。

壓力容器的缺陷危及其使用安全,筆者以1臺汽水分離器檢驗為案例,對缺陷性質及產生的原因進行了分析,對制造工藝、檢驗部位及比例提出了修改建議。

1 項目概況

該設備為臥式容器,主體由筒體、左右橢圓封頭、多處接管及底部鞍座組成,示意圖如圖1所示。設計使用壽命為10年,投入使用日期為2009年。2021年7月全面檢驗時已超過設計使用壽命。設備基本概況見表1。

圖1 汽水分離器示意圖

表1 汽水分離器設備參數

該案例按照TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》及本單位的壓力容器檢驗細則實施檢測,在完成規定檢驗工作的同時,分析了該設備的使用參數、失效模式、介質特點,增加了對接管角焊縫的100%磁粉檢測,并發現了大量裂紋缺陷[3-4]。該案例采用的檢驗方案,按照檢驗規程編制,卻又不局限于檢驗規程,通過對設備使用情況的分析,突出了重點檢測部位及檢測方法、檢測比例,作為壓力容器檢驗人員很好地踐行了檢驗職責,發揮了檢驗的作用。

2 檢驗實施

該設備為中壓設備,工作溫度為260 ℃,由于筒體開孔較多,采取自補強及接管補強結構導致筒體及接管壁厚較大,增加了焊接難度及檢測難度。本次全面檢驗無損檢測方法初步定為20%超聲檢測(UT)+20%磁粉檢測(MT),重點檢測筒體焊縫中“丁字口”位置及接管角焊縫位置,超聲檢測采用數字式超聲波探傷儀,表面無損檢測采用便攜式電磁軛探傷儀實施檢測。

全面檢驗時發現該設備循環水出口以及混合物入口接管等8道角焊縫存在10處裂紋。裂紋分布于母材、焊縫及熱影響區,單條最長達40 mm,放射性裂紋區域面積最大達18 mm×15 mm,最深處達10 mm。部分缺陷見圖2,缺陷明細見表2。

圖2 缺陷裂紋

表2 缺陷明細表

3 處置措施

發現大量超標缺陷后,對罐體內外表面實施了100%UT+100%MT檢測,除接管角焊縫處,該設備A類、B類焊接接頭未發現超標缺陷。檢驗完成后,檢驗單位與業主方從設備設計、制造到使用、維護進行了詳細的技術交流,全面了解了設備的生產、使用狀況,并根據檢驗情況以意見通知書形式向業主方進行了反饋,要求業主方聯系有資質的維修單位進行維修處理,維修前向當地監察機構辦理維修告知,向當地檢驗機構辦理監督檢驗報檢手續,維修完成并復檢合格后方可繼續使用。根據業主意見及維修情況,該設備檢驗周期縮短至3年。

4 缺陷產生的原因分析

經全面檢驗,該設備A類、B類焊接接頭無新生缺陷及原始缺陷擴展現象,所有表面裂紋存在于接管角焊縫位置。缺陷產生的原因初步分析如下：

該汽水分離器,介質為中壓蒸汽,溫度為260 ℃,介質無腐蝕性,不會對設備造成明顯腐蝕或開裂,且裂紋缺陷產生在容器的外表面,非介質原因造成；在此工作溫度下,材質無劣化機理。

由于該設備設計壁厚大,角焊縫位置焊接難度大,缺少必要的埋藏缺陷檢測方法,致使初始焊接缺陷未能被及時發現并消除,致使容器“帶病運行”。

角焊縫成形后未進行消應力熱處理,角接頭位置焊接殘余應力較大；此外,角接頭位置幾何不連續,使用過程中應力集中較嚴重,導致在使用過程中產生裂紋。

設備和接管厚度較大,工作溫度較高,使用過程中溫度在厚度方向上分布不均勻,易產生溫差應力,會加劇裂紋的萌生與擴展。

壓力容器尤其是中低壓容器從設計環節就缺乏對C類、D類焊接接頭埋藏缺陷進行檢測的要求[5],而在制造過程中,由于成本較高而忽視對C類、D類焊接接頭埋藏缺陷的檢測,僅能按設計規范要求進行表面無損檢測。

案例中的設備筒體實測最小壁厚達49 mm,接管的達39 mm,完全適用于超聲檢測的要求。為保證該位置的制造質量應當對該位置實施埋藏缺陷檢測,推薦采用脈沖反射法超聲檢測或相控陣超聲檢測[6]。

5 結束語

該設備為連續重整裝置中的關鍵動力設備,該設備出現故障將會造成全廠緊急停車,該案例及時全面地發現了此設備存在的嚴重缺陷,發現并消除了設備重大安全隱患,避免了設備在使用過程中可能發生的安全事故。

近幾年壓力容器定期檢驗過程中發現的設備缺陷,以及部分壓力容器事故案例中的設備缺陷往往存在于接管與筒體角焊縫位置,建議：

1）在設計文件中明確接管與筒體的D類焊接接頭位置為全焊透結構,并給出焊接結構圖；

2）相應制造標準中增加對承受交變載荷、需要進行焊后熱處理、盛裝極度、高度危害介質、運行過程中溫差應力較大的設備D類焊接接頭埋藏檢測要求；

3）監督檢驗規則中增加對汽水分離器的D類焊接接頭內、外部表面成型檢查及埋藏缺陷檢測結果抽檢的要求；

4）定期檢驗規則中增加對汽水分離器設備的D類焊接接頭內、外部表面成型檢查及埋藏缺陷檢測結果抽檢的要求。