甲醇合成塔环焊缝缺陷原因分析

甲醇合成塔环焊缝缺陷原因分析

王燕 ,何联飞

青海盐湖镁业有限公司  青海省格尔木市  816000

摘要：甲醇生产的主要设备是甲醇合成塔，在甲醇生产过程中发挥着重要作用，但所采用的工艺对甲醇生产产生不利影响，存在一定的缺陷。本文对现有甲醇合成塔存在缺陷和泄漏的原因进行分析，结合甲醇实际生产过程，解决了甲醇合成塔生产过程中存在的问题，采用针对性的措施，加强甲醇合成塔的性能，并建立在生产控制的基础上。

关键词：甲醇合成塔；环焊缝；缺陷原因；原因分析

通过甲醇催化剂在合成塔中的催化作用主要是甲醇的生产，在高温高压下使用合格的纯化气体CO、H2、CO2合成粗甲醇产品，这些气体易爆、易燃，合成塔生产控制非常重要。某公司甲醇装置经过10多年的运行，于2010年投产，合成塔底部环焊缝发生漏汽，合成塔中心和底部三个环形焊缝，出现穿透性和空洞型裂纹，甚至严重威胁生产安全。因此，该公司立即联系其测试单位和压力容器制造进行制定维护计划以解决该问题。

一、合成塔结构及参数

管壳式结构为合成塔，外部为高温锅炉给水，管内填充铜基催化剂，反应温度由内部沸水压力控制合成塔壳程。这种结构的合成塔转化率高，运行比较平稳，可以产生中压蒸汽，在国内得到广泛应用。合成塔主要结构由壳体、换热管、上下封头、管板组成，属于三种压力容器。φ3700mm.50mm为甲醇塔直径，60mm为筒体封头厚度，16MnR为上、下封头材质。根据甲醇设计要求和合成塔工艺条件进行对比，有较大余量的工艺设计条件，参数见表1合成塔主要工艺。

表1  甲醇合成塔工艺参数

二、焊接工艺分析

（一）清除缺陷及坡口打磨、检测

碳弧气刨去除缺陷并完全去除裂纹缺陷，DU14格式为原设计中坡口，按照HG20583-1998《钢化工容器结构设计规范》，U型坡口根据现场实际情况选用，100%PT检测进行坡口焊接，I级认证。

（二）补焊及检测

首先，焊接采用《压力设备焊接工艺认证》NB/T47014-2011认证的焊接工艺，缺陷补焊为两层。焊前预热，除氢处理在焊后立即进行，为确保熔深的形状，所有截面外部焊缝具有平滑过渡。其次，J607（低合金高强度焊条）在焊条采用，SMAW（涂层电极电弧焊）在焊接方式采用，两层主要控制参数如表2所示。第三，

严格控制道间温度和预热温度，在焊接过程中，注意道间清理，必要时对焊接区域进行抛光处理，焊后清除飞溅物和夹渣。第四，焊接和焊后检查彻底，对模具表层、补焊面、底层、中间层、外表面进行100%PT检查，根据JB/T4730.3-2005，焊缝UT检测100%通过I级，耐压设备破坏性检查JB/ T4730.5-2005认证，技术等级为B级。

表2 焊接参数

（三）热处理及检测

首先，焊缝修补严格按照热处理工艺进行局部焊接热处理，主要参数见表3。其次，热处理后进行焊缝修复、焊缝、无损检测，按TB/4730.5-2005外工装抛光进行100%PT检测。如果需要，对焊接接头进行硬度测试，以达到 HB≤225 的要求。

表3  热处理参数

三、检查情况及原因分析

（一）生产原因分析

检查结果表明，合成塔筒体环形空隙宽度可达20mm，焊缝处有3处较大的空隙，靠近筒体内壁，长度约100mm，明显没有焊透。同时，在其他部位采用碳弧气刨的修复工艺，也出现很多延伸裂纹和焊缝气泡，直接影响承载能力和焊缝强度。气缸环形焊缝中冷裂纹扩展的原因是应力集中。

（二）材质原因分析

13MnTiMoNbR是一种低合、高强度金钢，通过Ni和Mn的固溶强化，提高强度和韧性，增强Mo的弥散。微观结构也会产生焊缝拉伸应力，在焊接过程中并容易在焊缝中形成冷裂纹。

（三）焊接原因分析

由于13MnTiMoNbR焊接对冷裂纹敏感，所以焊后去应力热处理，焊前预热和脱氢处理，以防止焊接时钢材脆化和硬度增加，焊接规范严格控制，需要采取技术措施来保证焊缝强度，缺少部分热处理会导致环状裂纹进一步扩大。

（四）生产控制原因分析

甲醇合成塔加热初期，使温度升高，从底部通入蒸汽加热软化水，必须保证同时底部焊缝的液体和振动引起的不稳定性，反应气体成分和气体量波动引起，生产管理过程中升温控制速度过快，反应热迅速变化。管子的轻微膨胀，会在焊缝中引起热应力腐蚀，与上述因素引起的热应力和振动交替出现，引起微延迟开裂，进一步减缓伸长率，最终导致泄漏。此外，锅炉给水体温度不高，锅炉给水脱氧效果不理想，也可能存在造成温差应力的因素。壳程合成塔结构相应的技术理论也比较成熟，在工程中应用广泛，在结构设计上基本不存在问题。必须经过除氢和去应力热处理操作，因为13MnTiMoNbR板材是超高强度钢。在焊接过程中，局部热处理本身也可能引起裂纹，任何一个环节缺陷都会引起裂纹。因此，可以得出结论认为，甲醇合成塔环缝裂纹的主要原因是焊接缺陷和热处理效果不足。

四、焊接修复

（一）打磨、清除焊缝

对环缝进行100% UT+TOFD检测，将仪器表面磨平，识别并标注裂纹的具体位置。合成塔体底部焊缝按面积分为四部分，当距离完全去除2-3mm时，用碳弧气刨去除缺陷，用手磨机将焊缝切割焊缝完整。大于60°的坡口用平焊缝打磨，打磨后的坡口必须表面无气刨颗粒，平整光滑，保证坡口的完整性。

（二）预热

合成塔内部完全用氮气置换，确保内部干燥。同时，用烤枪将刮好的焊缝加热到150℃或更高，筒体厚度为50mm，以减少设备内外的温差。氩弧焊打底焊应使用H08Mn2SiA焊条，校平时弧焊焊条应使用J607焊条，焊条焊前应烘烤至350℃。

（三）补焊

焊缝每次沿1/4圆对称方向刨开，对称堆焊完成后，每段长约2.5m，对另一半进行刨焊，以减少焊缝焊缝变形和残余应力。焊接过程中，严格控制焊条烘烤温度、时间、层间温度等参数，严格按焊接工艺措施进行焊接，当每个焊接面整平完成后，立即进行除氢处理，用烤枪将表面加热到150℃或更高，然后对下一个焊接面进行表面处理。

（四）焊接检验

对焊缝进行全面检查后，应力加热可以进行操作，将焊补焊接位置使用加热带，从自然温度加热到610℃并保持2小时。可适当增加保压时间，外部保温后由于环境原因影响，彻底消除焊缝残余应力。

（五）水压试验和无损检测

焊接完成后，水压试验按压力容器设计标准进行，在合成塔壳程进行1.25倍水压试验。

参考文献：

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