多层包扎尿素合成塔声发射检验与复验技术探讨
宋明大1,2 王威强1 曹怀祥2 赵亚凡3
(1 山东大学机械工程学院，山东济南 250061) (2 山东省特种设备检验研究院。山东济南 250013)
(3 山东建筑工程学院数理系，山东济南250014)
摘 要：通过对实际运行状态下尿素合成塔有限元模拟分析，指出深环焊缝内部焊趾处存在很高的应力集中，是整个塔体最脆弱的部位．现场声发射检测结果表明，深环焊缝内部焊趾处是声发射信号源的集中部位。与有限元分析结果一致。通过对声发射源各种复验技术进行分析，指出TOFD超声成像技术能够精确测定缺陷的几何尺寸和埋藏位置，是目前多层板深环焊缝埋藏缺陷的最佳复验方法。
关键词：声发射；多层包扎；尿素合成塔；有限元分析；深环焊缝
0 前言
尿素合成塔是尿素合成装置的核心设备，自1964年我国首次从荷兰引进的水溶液全循环法尿素装置起，目前国内已有数百套各种不同工艺的尿素装置在运行，除少数采用进口的尿素合成塔外，绝大部分都采用了国内制造的尿素合成塔，而国内制造的尿素合成塔90％以上采用的是多层包扎的结构。多层包扎结构由于改善了单层结构在截面方向的受力状况，被普遍认为是一种非常安全的结构形式而被广泛采用。40年来，国产尿素合成塔已经为国家化肥工业安全运行，尤其是保证农业连年稳产高产作出了重大贡献[1]．然而，尿素合成塔自身存在的一些问题还时有发生， 1992年在美国路易斯安娜州发生了一起尿素合成塔爆炸事故，引起了人们的高度重视[2]。随后在1995年和2005年分别在河北迁安和山东平阴又发生过两次灾难性的爆炸事故，造成了重大人员伤亡和财产损失[3,4]。非常巧合的是，三次尿素合成塔爆炸事故均从环焊缝部位开裂，然后造成整个设备的爆炸，这说明深环焊缝可能是尿素合成塔最为脆弱的部位。本文对尿素合成塔受力状况进行了分析，并对两台尿素合成塔进行了现场验证检验，并对声发射检测结果的复验技术进行了探讨。
1有限元分析
利用ANSYS有限元分析软件模拟实际运行条件进行了整体有限元分析，结果表明深环焊缝盲板层和内筒间隙的焊趾部位存在很大的应力集中，其应力值远远超过尿素合成塔材料的屈服强度(图1、2)。由于深环焊缝是多道焊缝且焊后不进行整体热处理，仅依靠外层焊接余热对内层焊缝进行热处理，焊接残余应力较大，使深环焊缝成为尿素合成塔最脆弱的部位。目前国内普遍采用盲板层和内衬之间通蒸汽的方法进行检漏，而盲板层的环焊缝仅为点焊或间断焊结构，尿素合成塔运行过程中检漏蒸汽会进入盲板层和内筒的间隙。在尿素合成塔内部188℃的反应温度下，1.3MPa的检漏蒸汽在肓板层和内筒的间隙中以液态存在，在检漏蒸汽出口管以下会长期形成积液，造成碱性成分的聚集，在很高集中应力下长期运行会产生应力腐蚀开裂。
2声发射检测
由于尿素合成塔多层包扎的结构特殊性，常规检验方法只能对其内外表面进行检验，很难检查到深环焊缝的内部缺陷。利用声发射技术可以对活性缺陷进行定位，并可对声发射源的严重程度进行评价。在进行声发射检测之前，将深环焊缝的对应部位打磨平整，放置声发射传感器并耦合良好(如图3所示)。在检测的过程中，对深环焊缝和内部层板上的声发射信号，由于层板间隙的隔声作用，不会沿图3虚线所示的路径传播，而会沿实线所示的路径传播，这样会在声发射平面定位图中出现层板埋藏缺陷的定位12l误差，但最大约为100衄左右，基本不影响对声发射结果的判断。图4和图5是运行12年和14年的尿素合成塔声发射检测结果。从图中可以看出，在深环焊缝部位存在较集中的声发射源。从声发射源的定位相对于焊缝的偏离程度基本可以判断声源靠近尿素合成塔深环焊缝的内表面，与有限元计算的结果相吻合。
我国首先利用声发射技术对多层包扎容器的检验和评价进行了有益的尝试[5-7]，对声发射检验的结果和声发射特征进行了分类，并对声发射检测结果进行了表面探伤复验。但对于多层包扎压力容器声发射检测以后内部埋藏缺陷的复验技术讨论较少。由于目前我国法规体系的限制，单从声发射检测结果不能确定压力容器安全状况等级，必须对声发射源部位进行复验，确定其性质和几何尺寸以后，才能给出下一次检验周期。
