多層包扎尿素合成塔檢驗與剩余壽命評估方法研究.pdf

1、尿素合成塔是尿素合成裝置的核心設備。目前，國內大部分尿素合成塔采用的是多層包扎結構。多層包扎結構由于層板間緊配合的作用，在不增加壁厚的情況下，提高了厚壁圓筒的強度，被普遍認為是非常安全的結構形式，在石油精煉、石油化工和化學肥料行業(yè)中得到了廣泛應用。然而，由于多層包扎尿素合成塔(以下簡稱“尿塔”)筒節(jié)之間采用的是深環(huán)焊縫結構，并且焊后不進行熱處理，在焊接和使用的過程中容易產(chǎn)生缺陷。此外，在設計中一般將多層包扎結構視作單層厚壁容器，忽視了多

2、層結構在制造過程中產(chǎn)生的層板間隙，從而也忽略了多層結構在溫度和壓力載荷作用下各層板之間變形和受力的非協(xié)調性，使得深環(huán)焊縫等這些層板變形受約束的部位在操作條件下產(chǎn)生很大的應力集中。另外，國內90％以上的尿素生產(chǎn)企業(yè)采用水溶液全循環(huán)法尿素生產(chǎn)工藝，而絕大多數(shù)化肥企業(yè)采用蒸汽進行尿素合成塔檢漏。由于檢漏管自身結構原因或外力的作用往往發(fā)生蒸汽泄漏，使層板間隙內串汽，造成層板的應力腐蝕開裂，嚴重的甚至導致尿素合成塔的爆破事故，造成了重大人員傷亡和

3、財產(chǎn)損失。 本研究針對尿塔層板和環(huán)焊縫出現(xiàn)的應力腐蝕開裂，國內外開展了聲發(fā)射、超聲和射線等無損檢測技術的研究工作。但是，這些方法的裂紋檢出率和可靠性需要深入研究。此外，對于檢查出的在用設備缺陷如何進行評價，進而判定含缺陷尿塔的安全性，是一個迫在眉睫的問題。作者從尿塔結構和尿素生產(chǎn)工藝分析入手，對不同內徑的尿塔進行了有限元分析，得到了有層板間隙下尿塔的應力分布規(guī)律。在此基礎上對發(fā)生嚴重應力腐蝕開裂的尿塔進行了解剖分析，研究了尿塔的

4、應力腐蝕開裂機理。針對大量在用尿塔層板和焊縫裂紋缺陷，進行了無損檢驗研究工作，并進行了現(xiàn)場解剖驗證，得到了較為可靠的尿塔檢驗方法。對于檢驗中發(fā)現(xiàn)的裂紋，結合有限元分析的結果，給出了尿塔的安全評定方法。 本文對尿塔結構、生產(chǎn)工藝和檢漏工藝進行了分析。研究表明，由于尿塔的特殊結構和工藝介質的強烈腐蝕性，使得尿塔可能產(chǎn)生內襯腐蝕和外部強度層板腐蝕。內襯的腐蝕主要是內部工作介質和工藝變動引起的。外部層板的腐蝕主要是蒸汽介質引起的。檢漏蒸

5、汽中攜帶的堿、氯離子等介質在層板間隙處聚集，引起外部層板的腐蝕和開裂。另外，內部工作介質泄露可引起外部層板的強烈腐蝕，而蒸汽介質含有的氯離子也可以引起內襯層外側的應力腐蝕開裂。對尿塔進行了有限元分析。在分析過程中，考慮了熱應力、材料非線性、接觸等本構關系和層板間隙、焊縫結構等結構因素的影響。結果表明，在操作壓力下，尿塔筒節(jié)內部層板應力有限元值和Pimshtein公式值呈徑向從內至外逐漸降低的趨勢。內部層板應力值高于Lame公式值，而外部

6、層板應力值低于Lame公式值。隨著層間間隙的增大，內部層板的應力值增大，外部層板的應力值減小，更多外部層板不承受內壓，承受內壓的內部層板發(fā)生破裂的可能性增大。對于間隙為0.25mm的尿塔，僅承壓時，在彈性狀況下，僅有7層層板承受內壓，當壁厚大于7層層板后，層板應力趨近于零?？紤]溫度的影響時，除內襯外，層板的應力普遍升高，最高應力值向盲板層轉移。彈塑性分析結果表明，內部部分層板的應力值已經(jīng)超過材料的屈服極限，呈塑性屈服狀態(tài)。由于尿塔層板間

7、存在間隙，在內壓作用下，層板在焊縫處呈內側受拉外側受壓的狀態(tài)。越靠近焊縫，層板兩側拉應力和壓應力越大，在層問焊趾處產(chǎn)生很大的應力集中。間隙處的應力呈現(xiàn)很強的局部性，離開間隙頂端，應力值迅速下降。在內壓力和溫度共同作用下時，應力重新分布，內襯層的應力得到緩解，應力最集中的部位仍是層間隙焊趾處。內襯層、盲板層及第一強度層板焊趾處發(fā)生局部屈服。屈服區(qū)由內到外逐漸減小，高應力區(qū)的幾何形狀與實際解剖發(fā)現(xiàn)的裂紋擴展方向相吻合。對尿塔強度層和焊縫開裂

8、成因進行了分析。對尿塔內襯腐蝕泄漏、強度層開裂和尿塔爆破等失效形式進行了總結。通過宏觀檢查、解剖分析、顯微組織分析以及腐蝕產(chǎn)物和沉積產(chǎn)物分析，指出尿塔的強度層裂紋是應力腐蝕開裂造成的。對尿塔強度層外表面裂紋長度和開裂部位進行了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)裂紋的分布呈現(xiàn)向焊縫部位集中的特點，與焊縫部位的應力分布規(guī)律一致。從材料、應力、環(huán)境等角度對尿塔強度層開裂原因進行了研究。結果表明，尿塔開裂是在材料缺陷、局部應力集中和檢漏介質冷凝濃縮等多種因素作用下產(chǎn)生

9、的。多層包扎筒體深環(huán)焊縫焊接時產(chǎn)生了粗大魏氏組織，降低了材料的組織均勻性，而層板間隙的檢漏蒸汽發(fā)生冷凝濃縮，產(chǎn)生了發(fā)生應力腐蝕的介質條件。焊縫組織在縫隙中濃縮的檢漏液的作用下產(chǎn)生應力腐蝕和電偶腐蝕等腐蝕形態(tài)，從而使尿塔發(fā)生開裂，并沿與主應力垂直的方向向外擴展。尿塔強度層的開裂形式與檢漏蒸汽壓力、檢漏蒸汽污染程度、檢漏孔結構及層板間隙是否與外界連通有關。檢漏蒸汽壓力較高、檢漏孔串汽且層板間隙不與外界連通的情況下應力腐蝕開裂情況最嚴重。當檢

10、漏蒸汽壓力比較低時，若層板之間發(fā)生串汽，進入內部層板間隙的蒸汽不具備凝結的條件，只在外部層板間隙發(fā)生腐蝕介質濃縮，應力腐蝕開裂只在外部層板和焊趾處發(fā)生。當檢漏蒸汽露點溫度低于尿塔最外層層板溫度時，層板的開裂將被遏制。當檢漏蒸汽壓力高時，進入內部層板間隙的蒸汽具備凝結的條件，焊趾部位多處發(fā)生腐蝕介質濃縮，內部層板和焊縫將發(fā)生應力腐蝕開裂。另外，內襯泄漏和工藝系統(tǒng)泄漏引起的檢漏蒸汽污染仍然可能引起層板腐蝕開裂。利用聲發(fā)射、超聲相控陣、γ射線

11、和金屬磁記憶等檢測方法對尿塔存在的缺陷進行了檢測和整體性狀況評價。首先，根據(jù)尿塔檢驗的特點對聲發(fā)射、相控陣和射線等無損檢測方法進行了對比分析，表明只有充分發(fā)揮這些檢測方法的優(yōu)點，才能完成尿塔的完整性檢測。其次，利用聲發(fā)射對尿塔進行了試驗研究。研究表明，隨試驗壓力的升高，尿塔的應力集中部位尤其是環(huán)焊縫部位出現(xiàn)了明顯的定位信號，與有限元分析的應力分布規(guī)律一致。隨后的解剖結果證實聲發(fā)射集中定位源處為徑向擴展裂紋。對尿塔聲發(fā)射信號的參數(shù)特征進行

12、了統(tǒng)計分析，得出了尿塔缺陷的特征參數(shù)。利用超聲相控陣檢測系統(tǒng)對尿塔深環(huán)焊縫截面進行了超聲成像研究，結果表明超聲相控陣檢測方法能夠清晰地顯示焊縫截面內裂紋類反射體的部位和埋藏深度，因而層間焊趾裂紋、焊縫埋藏缺陷及層板錯層等情況都被直觀地檢測出來，并能夠測量出裂紋埋藏深度和長度，為設備維修決策和缺陷評定提供數(shù)據(jù)支持。該方法適用于尿塔聲發(fā)射檢測后的焊縫局部復驗。γ射線檢測試驗結果表明，射線對較大傾斜角裂紋的檢出率較低，只有在層板上有聲發(fā)射定位

13、信號或焊縫聲發(fā)射信號無法檢出時，利用射線進行復驗。金屬磁記憶方法測量的是局部應力集中，對尿塔內部埋藏裂紋檢測的可靠性還需進一步研究。以上研究結果表明，利用聲發(fā)射檢測技術對尿塔進行整體性狀況評價，然后結合超聲相控陣和射線測量缺陷的無損檢驗方法，具有較高的可靠性和檢驗效率，能夠有效檢測出尿塔環(huán)焊縫中存在的嚴重缺陷，該技術對與尿塔結構類似的多層包扎壓力容器檢驗具有較好的應用前景。 本文對含缺陷尿塔進行了剩余壽命評估方法研究。首先，以偏

14、于安全的原則，對解剖發(fā)現(xiàn)的尿塔中的裂紋進行了簡化處理，將尿塔中的裂紋規(guī)則化為裂紋面垂直于軸向的圓周裂紋和裂紋面平行軸向的軸向裂紋。然后，根據(jù)有限元計算取得的應力值和尿塔解剖取得的實際裂紋尺寸，計算得出了尿塔裂紋的名義啟裂應力強度因子，從而推導出了含裂紋尿塔的初始裂紋尺寸和臨界裂紋尺寸表達式，從而可估算出剩余使用壽命。以此為基礎，得出了尿塔剩余使用壽命曲線。在尿塔的聲發(fā)射試驗過程中，根據(jù)聲發(fā)射集中定位源出現(xiàn)的壓力對照該曲線可估算出尿塔的使