甲醇合成塔环焊缝缺陷与修复分析

郭学会，张 翼，刘矿伟，雷延国

(河南煤气(集团)有限责任公司义马气化厂，河南义马 472300)

0 概述

甲醇合成塔是义马气化厂60万t甲醇装置的核心设备。该设备属第三类压力容器，反应物料为甲醇合成工艺气，主要成分是CO和H2，为易燃易爆介质，管程工作压力为5.4 MPa，壳程工作压力为4.2 MPa。合成塔是一个固定床列管式反应器，设备直径DN2400，壳体基本结构由上、下封头，上、下管箱和壳程筒体五部分组成。

该合成塔于2004年投用，2013年6月甲醇装置在运行过程中，发现合成塔壳程下部环焊缝泄漏，向外喷射蒸汽。拆除泄漏点保温后，发现焊缝处有长约10 cm的横向裂纹。为保证设备安全运行，随即停车处理，对壳程、筒体与上、下管箱焊缝进行了超声波探伤检测，发现上部有长约50 cm裂纹，下部环焊缝有四处裂纹，均为横向穿透性裂纹，长度合计约2 m。裂纹位置如图1所示。

甲醇是企业的核心产品，必须保证合成塔环焊缝缺陷修复后的长周期安全运行，才能实现生产的“安全、长、满、优”运行，取得经济效益。为确保修复质量，从材质、焊接工艺和安全防护进行分析，找出缺陷修复的关键环节，为检修提供依据。

图1 裂纹缺陷示意图

1 材质分析

合成塔上、下风头，上、下管箱和壳程筒体材质均为低合金、高强钢13MnNiMoNbR，其力学性能及化学成分见表1和表2。

表1 13MnNiMoNbR板材力学性能

表2 13MnNiMoNbR板材化学成分 %

低合金钢的焊后是否产生缺陷，取决于焊接接头是否产生淬硬组织，接头的拘束度及扩散氢的含量。钢材淬硬倾向取决其化学成分，估算碳当量:

式中，元素符号代表该元素的质量分数，下同。

利用裂纹敏感性指数Pem计算，考虑到焊接接头淬硬倾向，扩散氢以及拘束度的综合影响，可以估算防止冷裂纹产生的最低预热温度T0。

2 焊接工艺分析

2.1 清除缺陷及坡口打磨、检测

用碳弧气刨将缺陷清除，彻底去除裂纹缺陷。原设计坡口按HG20583-1998《钢制化工容器结构设计规定》选择DU14形式，根据现场实际情况选择U形坡口(见图2)，负荷相关规范，修磨其坡口后按JB/T 4730.4-2005对焊接坡口进行100%PT检测Ⅰ级合格。

图2 DU12X形式的U形坡口

2.2 补焊及检测

①缺陷补焊分两层进行，采用NB/T 47014-2011《承压设备焊接工艺评定》评定合格的焊接工艺焊接;焊前预热，焊后立即进行消氢处理，保证全截面焊透形式、外表面焊缝圆滑过渡。②焊接方法采用SMAW(药皮焊条电弧焊)，焊条采用J607(低合金高强度焊条)，两层主要控制参数如下。③焊接过程中，严格控制预热温度和道间温度，注意道间清理，焊接完毕后应清除夹渣、飞溅物等，将焊缝按要求打磨。④做好焊中、焊后检测，对焊缝底层、中间层、面层及补焊表面，外表面工装打磨处按承压设备无损检测JB/T 4730.5-2005进行100%PT检测Ⅰ级合格;按JB/T 4730.3-2005对焊缝进行100%UT检测I级合格，技术等级B级。

表3 焊接参数

2.3 热处理及检测

①严格按照热处理工艺对返修环焊缝进行局部焊接热处理，主要参数见表4。

表4 热处理参数

②热处理后要做好无损检测，对焊缝、补焊表面、外表面工装打磨处按TB/4730.5-2005进行100%PT检测Ⅰ级合格;按JB/T 4703.3-2005对焊缝进行100%UT检测，Ⅰ级合格，技术等级B级。必要时，对焊接接头进行硬度检测，包括焊缝、热影响区和母材三个区域，控制HB≤225为合格。

2.4 水压试验

返修环焊缝检测合格后配置壳程试压工装，按图纸要求的水压试验压力试验合格，水温不得低于15℃，试验用水氯离子含量不得大于25 mg/L，试验程序符合《压力容器安全技术监察规程》要求，耐试压合格后将水放净，并将水渍吹干。

3 安全防护分析

合成塔壳程环焊缝修复过程复杂，要做好安全防护，保证修复质量，不能影响相关设施安全。修复过程中各种不同的热处理温度严格控制，升降温要缓慢，防止催化剂碎裂。严格临时用电管理，对设备进行保护接地确认，合成塔及相连设备的框架各点应接地完好;在作业周围设置相关安全警戒线与防护;在设备加热处理运行期间，合成塔及周围框架严禁接触作业，定时对加热设备用电回路、热处理设备及周边设备进行巡检，保证运行期间设备用电安全，发现异常时及时采取安全控制措施。

4 结束语

返修后的合成塔运行情况良好，未发现异常，期间对检修部位100%UT+PT检测，也未见异常;修复至今运行正常，说明方案正确可行，严格工序探伤检验和热处理温度控制的措施是切实可行的，可供类似化工容器现场检修借鉴。