穩定塔裙座角焊縫裂紋原因分析及修復

來誠鋒 楊元慶 姚 勇 彭澤軍

（武漢市鍋爐壓力容器檢驗研究所 武漢 430024）

壓力容器通常盛裝高低溫、高壓、易燃、易爆、有毒或有腐蝕性介質，其原材料、制造過程中的缺陷或使用過程中的新生缺陷均會導致其安全性、可靠性大幅下降，甚至引起嚴重事故。2020 年，在對某樹脂生產企業C9 加氫裝置中的1 臺穩定塔（如圖1 所示）首次進行定期檢驗過程中，發現塔體下封頭與圓錐形裙座連接角焊縫整圈斷續存在多條裂紋，裂紋最長260 mm，嚴重影響塔器的安全運行，存在重大安全隱患，須進行修復。

圖1 穩定塔外形輪廓

1 穩定塔主要參數

穩定塔主要性能參數見表1，基本參數見表2。

表1 穩定塔主要性能參數

表2 穩定塔基本參數

2 裂紋檢出

在多種無損檢測方法中，磁粉檢測對于鐵磁性材料表面及近表面缺陷具有非常高的靈敏度[1-2]，鑒于穩定塔裙座及下封頭材質均為鐵磁性材料，依據TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》中定期檢驗的相關要求，本文對穩定塔下封頭與裙座連接角焊縫進行100%磁粉檢測，發現該角焊縫表面整圈斷續存在多條裂紋，裂紋最長達260 mm，裂紋主要沿焊縫縱向分布，未擴展至焊縫兩側熱影響區（見圖2）。

圖2 裙座角焊縫裂紋影像

3 裂紋原因分析

3.1 裙座角焊縫應力分析

不同于普通的立式容器，塔器高徑比大，可簡化為底部固定的懸臂梁結構，其主要承受自重載荷、介質重量載荷、風載荷、地震載荷以及塔器內部的壓力、溫度載荷，風載荷和地震載荷為塔器底部的主要載荷，這些側向載荷在塔殼和裙座殼截面中形成彎曲應力和剪切應力，所以應保證裙座圓筒與塔器底封頭的連接焊縫具有足夠的強度。而對一些壓力頻繁波動以及高溫度場的塔器，塔殼和裙座殼的連接處也會存在較大的交變應力及熱疲勞應力，從而造成疲勞破壞。

本穩定塔運行狀態下，溫度及壓力不高且變化不大，本文未考慮其自身壓力變化導致的交變應力及溫度循環變化造成的熱疲勞應力。

考慮到穩定塔又高又重，風載荷對裙座連接角焊縫存在較大影響，故對該部位進行風載荷計算，分析是否因風載荷導致塔器角焊縫疲勞開裂。由SW6-2011 軟件計算，對接焊接接頭拉應力許用值為83.52 MPa，滿足要求；風載荷及地震載荷校核合格，設計風速為29.62 m/s，現場風速遠小于設計風速，滿足要求。因此，該塔器裙座角焊縫應力分析合格，風載荷不是裙座角焊縫開裂的主要原因。

3.2 裙座角焊縫結構分析

塔體與裙座的連接一般采用對接和搭接[3]，本穩定塔采用對接型式。依據NB/T 47041—2014《塔式容器》[4]，裙座殼與相鄰塔殼封頭采用對接型式的連接焊縫應為連續焊，且應采用全焊透結構。經查閱該穩定塔的《產品質量證明書》，裙座角焊縫與下封頭采用對接接頭連接形式，裙座角焊縫采用手工電弧焊，選用J507、φ4.0 mm 焊條，焊后進行100%磁粉檢測，外表面未發現相關顯示。由此判斷，裙座角焊縫裂紋為使用過程中形成的裂紋。

鑒于本穩定塔下封頭無拼縫，依據NB/T 47041—2014 的規定，可不在裙座殼設置缺口，經現場查看，裙座殼上端未開U 形缺口，但這種情形實際上增加了裙座角焊縫對下封頭的環向約束，一定限度上導致使用過程中裙座角焊縫部位應力增加。

3.3 角焊縫解剖分析

角焊縫裂紋打磨消除過程中直至焊縫根部才將裂紋完全消除，發現下封頭與裙座之間斷續存在最寬8 mm 的間隙，即裙座與下封頭組對過程中，裙座與封頭的間隙過大且未進行校正，從而影響了焊接質量。裙座角焊縫裂紋消除實物見圖3。

圖3 裙座角焊縫裂紋消除實物

鑒于角焊縫底部存在未焊透以及角焊縫處風載荷導致的交變應力，判斷裂紋是由于制造中角焊縫未焊透以及使用過程中風載荷導致的交變應力共同作用造成的。

4 裂紋修復

考慮到裙座角焊縫整圈均存在裂紋，為避免返修不當可能會造成塔器傾覆、避免裂紋擴展至封頭以及避免返修不徹底反而造成更大的危害，故制定了詳細的返修方案。鑒于此穩定塔下封頭與裙座整圈存在斷續裂紋，故對整圈角焊縫分步驟打磨清除后進行施焊。

4.1 修復方案

此穩定塔下封頭與裙座角焊縫修復順序如下：按圓周均分A、B、C、D 四點，先從A 點順時針修復100 mm，然后從B 點順時針修復100 mm，再從C 點順時針修復100 mm，最后從D 點順時針修復100 mm，依次修復1 圈，完成后再修復下一圈，共計約9 圈（如圖4 所示）。為防止修復過程中裂紋擴展，在裂紋兩端鉆止裂孔[5]，對角焊縫橫向方向上下各20 mm 熱影響區進行打磨，并經磁粉探傷合格，確保裂紋消除完全。

圖4 裙座角焊縫修復次序圖

4.2 焊接材料

本文裙座角焊縫修復采用全焊透結構[6]、氬弧焊打底、手工電弧焊蓋面的焊接方法，焊絲采用ER50-6，焊條采用E5015，從而有效保證焊接質量，焊接材料參數見表3。

表3 焊接材料

4.3 焊接工藝參數

選擇合理的焊接工藝參數對焊接質量至關重要，本文根據焊接工藝評定制定了詳細的焊接工藝參數，見表4。

表4 焊接工藝參數

4.4 返修后形貌

裙座角焊縫返修后打磨圓滑過渡，外觀檢查未發現咬邊、未焊滿等外觀缺陷，并經磁粉檢測合格，至此返修工作圓滿完成，裙座角焊縫返修效果見圖5。返修過程中沒有導致塔器傾斜，也沒有因為應力集中產生新的缺陷，證明返修方案完全可行。

圖5 裙座角焊縫返修效果

5 結束語

塔器裙座角焊縫既承受交變載荷，又承受塔體自重，一旦存在缺陷，就可能會導致塔體傾覆，造成嚴重的安全事故，因此裙座角焊縫是制造及檢驗過程中的重點部位，在制造及檢驗過程中須重點關注。

1）在裙座與下封頭組對過程中，嚴格控制裙座與封頭的間隙，如遇間隙過大應進行校正；

2）焊工應嚴格按照焊接工藝評定及相應的焊接工藝指導書進行施焊，并在焊接結束后對焊縫內外表面進行外觀質量檢查；

3）制造單位質檢員應認真履職，嚴格檢查裙座與封頭的組對間隙并對焊接外觀質量進行檢查；

4）無損檢測人員對裙座與下封頭角焊縫進行100%表面探傷，有條件的情況下進行超聲檢測，確認焊接質量；

5）監督檢驗人員在現場檢驗過程中應嚴格審查裙座與下封頭的組對工藝、焊接工藝評定及相應的焊接工藝指導書，并對焊接成型后內外表面的焊接質量進行檢查；

6）定期檢驗過程中，檢驗人員應對裙座與封頭角焊縫的內外表面進行宏觀檢查，進行100%表面探傷，有條件的情況下進行超聲檢測。

為保證壓力容器安全運行，檢驗機構在開展檢驗過程中要針對壓力容器特點，合理選擇檢驗方法，準確評估容器的安全狀態，消除安全隱患，為人民的生命財產安全保駕護航。