碳化塔鼓包原因分析及处理方法

对一起碳化塔鼓包原因的分析及处理

夏锋社

陕西省锅炉压力容器检验所

1　前　言

1997年某氮肥厂对其2^＃碳化塔进行在线检查时，测厚发现筒体母材多处有“减薄”现象，用超声波探伤检查时，波显示无规律，疑为夹层。1998年11月停车进行内外部检验，证实该塔筒体母材存在大量的夹层缺陷，并在夹层部位发现其内壁有多处鼓包现象，且在大多数鼓包范围内发现肉眼可见裂纹。我们对此作了进一步检查，分析了鼓包产生的原因，对鼓包进行了处理，并提出了预防对策。

2　容器基本情况

该碳化塔1988年11月制造出厂，1989年5月投入使用。设计压力0.8MPa，设计温度50℃，容器类别为Ⅱ类，容器规格φ2 600×15 164，壁厚为14/24mm（筒体上部3个筒节壁厚为14mm，筒体下部5个筒节壁厚为24mm），材质为16MnR。塔内壁涂环氧树脂防腐层。塔内实际工作压力为0.75MPa，工作温度40℃，工作介质为浓氨水、变换气、碳酸氢铵。

3　检验过程

3.1　宏观检查

塔内防腐层呈块状脱落。全部拆除防腐层对内壁进行宏观检查，塔内壁呈大面积均匀腐蚀，腐蚀最深为0.5mm。在下半部5个筒节（δ＝24mm）内壁共发现59处鼓包，鼓包直径最大85mm，最小30mm，鼓包鼓起高度3～8mm，且在大多数鼓包范围内发现肉眼可见的裂纹，裂纹形状相似，沿顶部向周围扩展，方向无规律，长度不等。

3.2　壁厚测定

用DC－2000A型超声波测厚仪在壁厚为δ＝24mm的筒体内、外壁分别进行测厚，实测点数为140点，发现母材多处存在夹层缺陷。其中距母材表面最近距离为4.8mm，鼓包部位均在夹层缺陷处。其他部位测厚数据正常。

3.3　化学成分分析

在下半部筒节三处分别取样进行材料的化学成分分析，分析结果表明，所用材料为16MnR，化学成分符合GB6654－86标准的规定。

3.4　硬度测定

用HLN－11A型硬度测试仪，在筒体内壁选点53处进行硬度测定，选点范围包括鼓包部位和未鼓包部位，测试结果HV＝126～151，未发现异常情况，硬度值在正常范围内。

3.5　表面探伤

对δ24mm筒体焊缝内表面进行100％磁粉探伤，对检查发现的夹层部位内表面及鼓包部位进行100％渗透探伤。焊缝内表面未发现表面缺陷，在59处鼓包处均发现裂纹缺陷，其中裂纹最长为95mm。

3.6　金相检查

采用现场复膜金相进行检查。仪器型号：XJB－200，放大倍数：250×，腐蚀方法：4％硝酸、酒精，抛光方法：机械磨抛，复膜纸型号：AC，检查部位：选2处，在鼓包裂纹尾端处。检查结果显示：裂纹属于穿晶开裂型，呈多束断续分布，裂纹较宽，且尖端处较圆钝，裂纹内壁充满腐蚀产物；母材金相组织为F＋P，并伴随有明显的腐蚀现象。

4　鼓包及鼓包裂纹原因分析

4.1　材料因素

大范围发现夹层，对板材而言，显属材料在冶炼和轧制过程中由于工艺不当致使成型的钢板带有低熔点夹杂物，进而产生局部夹层缺陷。存在于筒体近内表面并呈网状分布的夹层缺陷，为以后发展的鼓包及其裂纹缺陷起到了应力集中和缺口作用。容器制造厂把关不严，致使该板材用于该碳化塔，为产生大量鼓包及鼓包裂纹埋下了安全隐患。

4.2　介质因素

碳化塔的作用是将浓氨水与变换气中的二氧化碳反应生成碳酸氢铵结晶。在工作介质中，变化气中除含有二氧化碳和硫化氢外，还含有氢气、一氧化碳和氨气。在碳化塔的工作过程中，氢离子通过上述介质的一系列的化学反应以及溶液水解或电离而产生，并和钢板表面的自由电子结合而变成氢原子。氢原子很容易沿金属晶格的间隙由钢板表面向钢板内部扩展，进入到金属的空隙、夹层处，并在其中复合成氢分子。随着氢原子的继续渗入，夹层内的压力逐步升高，该压力可高达几百兆帕，使夹层向较薄侧鼓起，进而形成鼓包，并在鼓包的最薄弱部位顶部开裂。

由于该塔采用的工艺是加压碳化，它不但加速了氢原子的生成，也加快了氢原子向钢板内部的渗入，对鼓包的形成、鼓包裂纹的产生及扩展起到了促进作用。

4.3　防腐因素

碳化塔的工作介质对碳钢的腐蚀性较大，工作过程中除产生化学腐蚀外，还会产生冲刷腐蚀、沟槽腐蚀、缝隙腐蚀，并具有产生氢鼓包和应力腐蚀的条件。为了延长设备使用寿命，工程上均要求对碳钢制碳化塔内壁进行防腐处理，以阻止介质与塔内壁接触。不锈钢衬里由于造价太高而很少使用，而环氧树脂由于造价低廉，易于施工一度被广泛采用，但若施工质量差或防腐层受塔内物料长期冲刷而脱落、损坏，使塔内壁裸露，碳钢表面与介质接触，为介质中的原子氢渗入金属内部的薄弱部位创造了条件。

4.4　综合分析(www.xing528.com)

由于防腐层的失效，致使介质中的氢原子渗入金属内部，并在夹层缺陷内聚集。随着夹层内部氢分子压力的升高，使夹层向其较薄侧（塔内壁方向）鼓起，形成鼓包，进而在鼓包部位的最敏感、最薄弱部位（鼓包顶部）开裂，并向周围扩展。

相比之下，在同一操作工况条件下塔体上半部3个筒节（材质为16MnR，δ14mm，与下半部5个筒节所用材料非同一厂家生产的钢板）未发现夹层，内壁也未发现鼓包现象。

5　处理措施及结果

5.1　处理措施

由于碳化塔属小氮肥厂碳化工段的关键设备，更新该台设备由于多种原因不能尽快落

实，而当时又处于化肥生产和销售旺季，厂方决定对该塔存在的缺陷进行处理，以维持当时生产的正常进行。我们对此进行了认真分析和研究，认为在满足强度要求的条件下，采取一定的防护措施和监控手段，该塔还是有一定使用价值的。为此，我们提出了以下处理措施。

（1）对所有鼓包及其裂纹均进行打磨消除，且周边按不小于的斜度与母材内壁圆滑过渡。打磨后测定剩余壁厚，并进行强度校核。也可以采取在裂纹两端部打孔的办法，制止裂纹继续扩展。先在鼓包裂纹上打孔，并穿透鼓包壁，以释放出鼓包内的氢气，然后采取有效措施将鼓包顶平，再在裂纹两端部打孔。

（2）严格控制内壁环氧树脂防腐层的施工质量，特别是本次检查发现有鼓包缺陷的部位和易于冲刷的部位，确保防腐层的有效性。

（3）在鼓包部位相应外表面进行标记，每三个月进行一次定点测厚检查，对防腐层是否失效进行监控。

（4）一年后对内壁缺陷部位进行复检，如发现裂纹有扩展迹象，应对所有缺陷部位进行打磨，经强度校核后再确定继续使用或者报废。

（5）使用单位应做好更新该台碳化塔的准备。

5.2　处理结果

使用单位在处理时，对两处最严重的鼓包及其裂纹缺陷进行打磨处理，且周边按的比例圆滑过渡，打磨后测定剩余壁厚，最小值为11mm，该部位经强度校核，满足安全使用的要求。对其他裂纹缺陷采取上述打孔的方法进行处理。根据处理情况，我们的结论是：该碳化塔的安全状况等级定为4级，在上述监控条件下按原操作参数继续使用，一年后进行内外部检验。

1999年9月，我们对该碳化塔进行内外部检验，重点对缺陷处理部位进行检查，未发现新生缺陷，原有缺陷也未扩展，证明上年对鼓包缺陷的处理是成功的。

6　预防措施

为了防止此类缺陷的发生，根据多年来对小氮肥厂压力容器使用情况的了解及检验实践，笔者认为可从以下几个方面着手。

6.1　首把材料关

用做碳化塔筒体和封头的钢板，在订货时，除对材料提出规定的要求外，应增加钢板中非金属夹杂物含量的要求，必要时还应增加超声波探伤的要求。

6.2　严把防腐关

碳化塔的内防腐要严格按照设计图纸及有关施工规范和标准的要求，由有资格的且具有丰富经验的信誉好的防腐队伍进行施工，确保防腐施工质量。

6.3　做好役前检验

碳化塔在防腐施工前，由本单位专业人员对照图纸和质量证明书对设备进行全面检查，必要时对筒体和封头母材进行超声波探伤抽查；在投入运行前，由本单位专业人员对碳化塔的防腐质量及内件安装质量进行全面检查，检查时应特别注意因安装内件不慎引起防腐层的划伤和损坏，发现问题立即处理。

6.4　认真进行年度检查

在进行年度大检修时，应抽出碳化水箱，对碳化塔内防腐层进行认真全面检查，重点检查气液偏流部位、液位频繁波动部位以及内件与筒体连接部位的防腐层是否有减薄、鼓包和剥落现象。若发现防腐层出现鼓包和剥落，则应进一步检查母材是否出现鼓包现象。

6.5　坚持定期检验

坚持定期检验制度，做好碳化塔定期检验工作。确定碳化塔的定期检验周期应考虑其使用的实际工况。当内防腐为环氧树脂时，检验周期可为2～3年，对新投用的碳化塔，2年内必须进行首次开罐检验。检验中发现鼓包时，应查明原因，及时处理，并根据处理结果，安全状况等级可定为4级或5级。

（注：该论文发表于《中国锅炉压力容器安全》2003年第4期）