当乙烯脱甲烷塔焊缝开裂原因分析

乙烯脱甲烷塔焊缝开裂原因分析

某公司乙烯脱甲烷塔主体(不含塔盘和附塔管线、)于2007年10月6日节能效果良好在现场安装就位。2008年5月30日发现该塔变径处环焊缝出现严重开裂，即裙座与下封头、变径段锥形筒体上端与筒体、变径段锥形筒体下端与筒体连接焊缝局部发生开裂，开裂部位集中分布在南、北方向90°范围内，局部裂纹已穿透壁厚，周向最大长度已达2300 mm。具体裂纹位置见图1。

该设备主要技术参数为：

设备类别：一类容器；

主体材质：OCrl8Ni9(钢扳)； 焊材：E308L／ER308L；

规格：内径φ2600／φ3600 mm；壁厚：16／20／24／28／32／40 mm；总高77700 mm；容积：391．7 m³；设备重量：1 46 t。

为了便于修复，制定正确可行的返修方案，对裂纹形成原因进行综合分析。

1焊缝裂纹现象分析

1．1焊缝裂纹外观分析

对裂纹和出现裂纹的焊缝外观分析结果如下：

1)焊缝裂纹具有方向性特征，主要在南北方向。焊缝结构属几何不连续，焊缝表而成型较差，焊道间、焊道与熔合线处没有圆滑过渡，有凹槽尖角存在；

2)锥形筒体大端环缝裂纹处已显示有错边存在，最大错边量达到4 mm。表明存在较大的组对应力；

3)裂纹发生部位主要在熔合线上和焊道间熔合部位，以纵向裂纹为主，伴有少量的横向裂纹，部分纵、横向裂纹闭合，部分闭合的纵、横向裂纹处有焊肉脱落现象，说明存在挤压过程；

4)裂纹在内壁熔合线部位启裂，然后沿母材厚度方向扩展，具有单通、平直和尖端尖锐等特点，与疲劳裂纹特征相符，见图2。

1．2断口宏观分析

对现场裂纹部位该数据库将帮助企业替换现有的材料或在工程研究和设计进程当选择新的复合材料所取试样的断口进行宏观分析，得出如下结果：

1)存在未熔合缺陷；个别裂纹出现部位有明显的补焊现象，该裂纹具有典型的品间开裂特征，属于热裂纹性质(见图3、图4、)；

2)全部断口均未见壁厚减薄以及整体塑性变形现象；

3)全部断口内外壁均未见剪切唇；

4)均以具有典型疲劳断口纹理(贝壳花纹)的断而为主，疲劳裂纹扩展区有休正线，表明裂纹在扩展过程中有停顿。疲劳源处可见有原始裂纹存在。这些原始裂纹有沿厚度方向的放射轮廓，是在一定外力作用下一次件快速扩中国工博会自1999年创办以来展所形成的(见图5)。

5)内外壁均存在疲劳裂纹源；

6)全部断口表面均有不同程度的腐蚀产物或污染物附着

1.3断口微观分析

对断口进行微观观察和分析，得出结果如下：

1)起裂部位具有原始裂纹、未熔合等特征。其中原始裂纹与一次件外力撕裂形成的相似。

2)内外壁均存在疲劳裂纹扩展现象；

3)疲劳裂纹扩展区具有非常典型的疲劳辉纹、裂纹在疲劳扩展过程中有停顿现象(见图6)；

4)最终断裂区具有韧窝特征(见图7)；

5、)断口上夹杂物数量较多。

1．4 能谱分析结果

在现场选择一处断口锈蚀较为严重的区域取样进行X射线能谱分析，分析结果表明，断口上存在氯元素(见图8)。由于脱甲烷塔安装现场位于海边，因此判断氯是由雨水所带来的。氯离了的存在会促进疲劳裂纹的扩展。

2焊缝裂纹成因分析

2．1 对质量证明文件、制造过程原始记录、监造周报等资料分析发现如下结果：

1)锥形筒体下端裂纹焊缝局部有因为未熔合缺陷造成两次以上的返修，说明焊接工艺控制不严，局部焊接过程存在反复加热；

2)焊接过程记录显示焊接电流偏大，均为焊接工艺规程规定的上限，有超出规定的现象；

3)制造过程质量控制不严，无锥形筒体上下端最大最小直径尺寸记录；

4)从焊接材料使用量分析得到，为了赶工期，在气温较高的7、8月，没有采取有效的降温冷却措施，对不锈钢厚板采用埋弧自动焊连续焊接，焊接线能量过大，造成局部长时间过热，产生裂纹；

5)采用γ源对主体焊缝作RT检测，由于γ射线能量高，不锈钢板品粒度比较大，曝光后的底片比较模糊，清晰度没有用X射线曝光的底片好，所以小缺陷检出率比较差。对于40 mm左右厚奥氏体不锈钢焊缝中存在2—3 mm长、深4 mm以下的裂纹有可能出现漏检。

2．2锥形简体结构分析

GBl50—1998《钢制压力容器》规定，对于锥形筒体半顶角a≤30。时，可以采用无折边结构；当α 30。时，应采用带过渡段的折边结构。

此设备的锥形筒体半顶角设计为29°，采用无折边结构。

由于锥形筒体设计直径较大、筒体壁厚大(上端内径为φ2600 mm，下端内径为φ3600 mm，壁厚为40 mm，锥壳高度900 mm)，制造采用滚板机卷制，因此卷制难度较大，卷制后产生的圆度误差很难控制。

GBl50—1998《钢制压力容器》规定，壳体同一断面上最大内径与最小内径之差，应不大于该断面内径Di的l％，且不大于25 mm。根据上述数据计算，得出该锥形筒体上、下端圆度差都要求不大于25 mm。

由于质保资料中也没有提供锥形筒体圆度误差数据，从局部裂纹处出现严重错边看出其一定存在圆度误差。

这里仅按锥形筒体下端圆度误差为25 mm，上端无圆度误差来计算由于圆度偏差导致半顶角度数的变化，见图9，计算如下：

(3 600—2600)÷2+25=525

tanα=(525+900)=0.5833

得：α=30.26° 30° 29°

如加上锥形筒体上端产生圆度偏差，实际造成的α 30.26°，无法满足设计要求及GBl50—1998《钢制压力容器》的规定。

2.3风力作用造成摆动

脱甲烷塔安装完至发现开裂期间正好是偏北季风季节，根据2007年1 0月6日至2008年6月3日气象资料可知，有190多次7级(相当于13．9～17．1 m／s)以上阵风记录，且风向主要为尔北风。距离安装位置约500 m处，有人曾经发现塔顶摇摆比较严重，用经纬仪测定，塔顶最大摆幅达到1 m以上。从锥形筒体大小端环焊缝裂纹具有南北基本对称性显示，未及时安装附塔管线及塔盘的空塔、孤塔，承受了较大的风载。

2．4分析结论

锥形筒体上下端、裙座焊缝开裂主要原因：脱甲烷塔锥段制造误差造成超标的突变结构、局部残存较大的组对应力、焊加大电流才能实现缝中存在如未熔合、热裂纹原始缺陷等因素在风载荷作用下疲劳扩展所引起的。海边环境中氯离了对裂纹的扩展起到了推动作用。

3 返修或预防措施

1、)锥形筒体应该采用带过渡段的折边结构，适当增加锥段长度，降低锥段上下环缝部位的应力水平。

2、)采用适合不锈钢焊接的工艺方法，保证焊接线能量得到有效控制，控制环境温度和焊接的层间温度。并对对接焊缝进行修磨，确保焊缝表面各焊道之间、焊道与筒体连接处圆滑过渡，减少应力集中。

3、)对筒体对接焊缝应进行l00％X射线检测，同时还要增加对接焊缝内外侧100％PT检测，确保焊接质量。

4、)塔类设备主体安装后要及时安装附塔管线和塔盘，降低产生共振的可能件。

4措施实施结果

根据上述拟定的措施，对所有的开裂焊口全部彻底割除，重新制作烈而坡口，采用焊条电弧焊焊接方法，选择水甲较高的持证焊工，遵循小电流快速焊焊接不锈钢的要求，多层多道焊接。为了充分利用旧材料，在利用原锥形筒体的同时，对锥形筒体的上下端焊缝表而采用焊条电弧焊进行适当堆焊，降低结构突变造成的应力集中。对所有对接焊缝采用l00％RT+100％PT检测。返修及现场安装后，及时安装了附塔管线和塔盘。

2008年9月脱甲烷塔返修完安装，2009年8月投入生产使用至今，没有再出现类似问题。