制造质量不良引起的氨冷凝器爆炸事故

　　近年3000吨/年氮肥厂合成工段氨冷凝器(固号VSH3704)连续发生爆炸事故。

　　1.事故情况：3000吨／年化肥厂氨冷凝器是列管式高压冷凝设备，管程设计压力为200Kgf/cm2，壳程设计压力为16kg／cm2，工作温度为—25~十25℃。管程介质为氨，氮气，壳程介质为液氨，壳体内径420mm，壁厚8mm，封头内径350mm，壁厚32mm，管板厚45mm，管板和封头材质为20g。

　　氨冷凝器的封头与管板联接采用平面焊结构。几起事故的爆破断口都发生在管板与封头联接处的环焊缝上。从断口上可清楚地看到：焊缝根部未焊透，长度占80％，深度一般2~4mm，最深达6mm。断口检查：这种氨冷凝器的爆炸断口中部表面平滑平坦，经电镜观察有明显的疲劳断裂特征，断口外部表面租糙，则属强度不足而塑性撕裂。

　　2.爆炸事故原因分析：氨冷凝器的爆炸原因，主要是设计不当，制造时焊接工艺不当产生的根部未焊透等缺陷，在实际运行中存在的疲劳循环载荷(压力、温度波动、频繁启停等)的作用下，导致疲劳裂纹萌生和扩展，以致引起设备疲劳断裂，即低周循环应力下的疲劳断裂。

　　(1)设计时技术要求不严：氨冷凝器管板与封头焊接连接属角焊缝结构，这种结构上的不连续性使环缝根部表面应力很高，所以在设计此种结构时必须慎重对待。我国《设计规定》管板与壳体、封头的连接应采用全焊透结构。美国ASME《锅炉及压力容器规范》D—4焊接接头章节中规定了全焊透的角焊缝接头；英国BS5500—1978《非直接大压力容器》附录E“推荐用于压力容器的焊接连接”其中管板与壳体、封头的角焊缝推荐双面焊结构，当壳体、封头壁厚超过16mm时必须采用全焊的焊缝；联邦德国AD《压力容器规范》也规定，当采用平面焊根部有未焊透结构时，能够承受的疲劳循环次数只有全焊透结构的五分之一的次数，考虑变动载荷时焊缝结构则必须是全焊透的。然而该氨冷凝器中的管板与封头的焊接连接采用的单面焊结构型式，未明确提出必须全焊透的技术要求。这种易于发生根部未焊透的角焊透，在我国标准和美国ASME等规范中，都明确不允许。

　　该环形角焊缝位于高应力区域，计算表明其内表面弯曲轴间应力已超过材料屈服极限，如果在该区域内又产生未焊透引起的应力集中，其根部裂纹的产生和扩展是很难避免的。同时在结构设计时焊缝根部管板采用有半径R为5mm的环形槽，使采用超声波深伤方法难以确切判断缺陷性质和尺寸，从而使焊缝质量也不能通过探伤得到正确检验。一个合理的设计必须具备良好的制造工艺和提供可靠的探伤条件。

　　(2)焊接工艺不当：在制造该氨冷凝器时，管板与球形封头的环形角焊缝的焊接工艺，系采用手工电弧焊封底，即以结507Ø4—5mm焊条，焊三层单道焊，然后采用自动捍盖面，采用H08MnA焊丝和431焊剂，焊前不予热，焊后未作消除应力的热处理。

　　通过爆破断口解剖观察到：

　　(1)根部未焊透严重，占周长的80％，最深达6mm；

　　(2)有2×4mm大气孔一处和三处夹渣，最大尺寸为8×10mm；

　　(3)焊缝中发现超出常规的硅酸盐夹渣，局部有增碳引起的小裂纹。

　　(4)埋弧自动焊缝的裂口靠管板一侧，断裂起源于焊缝根部未焊透处，并靠管板一侧沿着与轴成为60°方向在焊缝中扩展，直至失效破环。

　　从氨冷凝器的制造工艺和解剖发现的问题，可以看出其焊接工艺是不合理的，在施工中没有采用单面焊双面成型的特殊焊接工艺和焊接方法，如氩弧焊封底等工艺方法来防止末焊透，而采用了一般的焊接方法，并用Ø4—5mm焊条进行封底，如此粗的焊条作封底施焊必将发生未焊透。

　　对于高压容器封头一侧的环焊缝焊前应采取预热，高压换热器的管箱焊后需要进行消除应力的热处理。该设备在施工时，没有进行焊前预热、焊后热处理的工艺措施。这样，焊缝一侧为32mm的封头，另一侧为45mm厚的管板，刚性大，散热快，焊接时焊接残余应力较大，且容易在管板一侧出现未焊透、未熔合乃至微裂纹等缺陷。

　　此外，焊接工艺管理也是不健全的。如没有焊接工艺评定，焊条管理也是欠妥的，以至采用了Ø4—5mm的封底焊条，出现了超出常规的硅酸盐夹渣等现象。

　　3．制造质量检验不严：该氨冷凝器的制造单位擅自将超声波探伤灵敏度从Ø2mm平底孔降低到Ø3mm平底孔，以致未能有效地查出焊缝中存在的缺陷。

　　综上所述，该氨冷凝器在设计上有缺陷，在制造上没有可靠的焊接工艺，加之使用压力、温度波动频繁，因此氨冷凝器的爆炸事故是不可避免的。