摘要：塔设备是一种具有一定形状、体积和一定附属装置的容器，适用于内外两种装置。塔设备是石油化工、制药、轻工等行业的关键设备，保证其安全使用显得十分必要。近几年，由于塔设备中的各种侵蚀、稀释等问题，给塔设备中的安全带来了很大的威胁。塔设备在使用中会存在各种腐蚀减薄的问题，从塔设备腐蚀失效形式、焊缝缺陷和塔设备结构的风载荷破坏特征出发，对其在风载荷下的腐蚀失效和焊缝缺陷进行了研究。建议在进行设备维修与监测时，要对有故障的塔设备进行风载荷校核与计算，并根据实际需要，采用适当的加固方法，确保其正常使用。现结合塔设备中存在的几个常见的腐蚀失效形态进行分析，对风载荷下的焊接错误及锈蚀破坏等因素进行了分析和探讨。

关键词：风载荷作用；塔设备；失效问题

引言：塔设备是石油化工、制药、轻工等行业的主要设备。由于外部环境、技术手段和经营环境等因素的影响，国内的老旧塔设备装备质量差、缺点多。塔设备的运行时间过长，必然会导致其工作效能下降，并且有一些安全风险。塔设备内的失效是由多种因素引起的，而腐蚀是影响塔设备内设备安全运行的主要因素。针对部分地区的塔设备，在检修和维修过程中，必须进行风载荷的检测与分析。为了保证塔设备内正常使用，必须根据具体的条件，采用多种加固方法。可以在塔设备中进行的装置操作包括吸收，蒸馏，气体加湿，冷却等。在化学及石油化工装置中，精馏塔设备的投资费用在整个过程中所占比例为25.39%，而在石油和石油工业中，则为34.85%。在各种加工设备中，钢铁的使用量很大。由于历史、技术、管理等方面的因素，目前国内老塔设备装备制造质量差、缺陷严重等问题十分突出。在长时间的使用中，各种失效是无法避免的。通常，塔设备装置是一种很高很细的装置。塔设备在运行过程中，既要承担塔设备本身工作压力、塔设备自重等载荷，同时又要经受不连续的风载荷，使其自身各部分产生不同程度的挠曲变形。塔设备的故障类型很多，其中腐蚀是塔设备的主要故障。通常的腐蚀点是由裙座和筒体（封头）连接、塔设备板和塔设备头与塔设备架的连接。塔设备是由塔体、支架、连接管、轴、手孔等部分组成，其焊接的好坏直接关系到塔设备的安全使用。

1、整体侵蚀对塔设备的影响

塔设备的整体腐蚀是塔设备全部或大多数裸露的面上较为平均的侵蚀，也是塔设备中最普遍的一种。塔设备是指在石油、石化等行业中使用的。另外，酸和碱的溶液也会导致像CO2这样的普通腐蚀。其次，塔设备既要经受正常的工作的压力，又要经受住间断的风载荷作用，同时又要承担自身的负荷，因此，塔设备的各个部位都要经受各种破坏的应力。从而使塔设备的动态性变差，从而影响到设备的正常、安全和高效运转。所以，若塔设备内的所有设施都被彻底的侵蚀，造成了塔设备自身的减薄，必须对其进行分析：一是对塔设备的构造强度进行检测，并按其实际厚度进行检验；其次，对风载荷、工作压力和塔设备重量对塔设备局部变细部位的电压进行了分析和对比；最后，结合实测数据和现场数据，提出了建议的加固修补设计。

全蚀是在整个或大多数裸露的面上进行比较平均的侵蚀，也是最普遍和最容易发生的一种。在石油化工和炼油装置中，处于HClH2S-（SOx）-H2O环境中的腐蚀是导致整个塔设备的腐蚀的原因。例如：常压塔塔顶及塔内构件、减压塔塔顶及塔内构件等.像是二氧化碳等酸性溶液也能导致普通的腐蚀。例如某一个工厂的丙烷和丙烯生产装置开始使用。通过全面的检测，发现两个铁塔设备的内部都受到了硫化氢的侵蚀。两座塔设备在承受风载荷作用时，其各部位均会发生弯矩。随着塔设备壁的稀薄，稀薄区内的弯矩将会增大，甚至会超出塔设备内的材料强度，从而造成塔设备内的装置故障。在钢结构的规范中，对塔设备顶的变形应限制在1%到0.25%之间。由于塔设备内壁板的减小，在风载荷作用下，塔设备顶的变形增大，进而影响到整个化学工艺的正常运转。而塔设备内的结构又是一种薄壁型式，因此在风载荷下，塔设备的一边会出现压力，一边会出现张应力。在一定的压力下，塔设备自身会发生失稳，导致塔设备内的装置不能工作。在一般的塔设备装置中，该问题已被列入研究。当塔设备筒内的壁厚度被稀释时，压力的阈值会下降，从而使塔设备中的装置更加不稳定。若塔设备架被彻底侵蚀或被冲淡，则必须对其进行检测，并对各部位的最小壁厚进行分析。举例来说，可以使用处理剂浓度计算软件SW6来测定塔设备的最小壁厚。然后，将得到的最小壁厚与每个断面的测厚资料相对比。若实际的厚度低于经验算规定的最小壁厚，则需视情而作适当的处理，并在需要时对其进行加强，以保证其结构不发生失稳[1]。

2、塔设备中局部侵蚀的危险

塔设备的腐蚀主要有点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、氢腐蚀等。点腐蚀是目前局部腐蚀中最为常见的一种。常见的腐蚀形式有氯化铵腐蚀、磷酸腐蚀等。在油塔塔顶、塔顶塔盘、塔顶管道等部位，氯化铵的腐蚀最为普遍。例如，工厂里的塔设备的外部腐蚀就是隔热层的腐蚀，导致了对设备的部分损坏。在没有考虑到风载荷压力的情况下，不能使塔设备在标准工作压力时超出材料承受的压差。但是，若同时发生风载荷，则会造成附加的压强。这样，在附加抗拉应力时，在稀疏区域中的拉力会超出所允许的材料的允许压力。在塔设备结构受风载荷影响下，其受弯矩的大小因其高度和部位而异。试验结果表明：随着侵蚀程度的降低，这一部位的危险性也随之增大。因而，由于塔设备内壁的稀薄会造成装置的局部失衡，严重地会对装置的安全使用造成很大的不利。为了保证生产的安全、有效地进行，必须对其进行维修、加固和监测，必须加强和增强局部减薄区域[2]。

3、塔设备结构受应力侵蚀开裂的影响

在高强度的材料中，应力侵蚀开裂是一种脆性断裂形态。由于存在着拉伸应力（不管是残余或外部应力，抑或是二者皆有）以及特殊的腐蚀性物质。此外，在高温高压下，因受压腐蚀而产生的应力集中，使其内部的应力迅速增加。而风载荷的影响是有间歇的，而且会随着时间的推移而发生改变，在交流荷载的影响下，塔设备的结构会发生交变的应力。长时间处于这种压力下，会引起应力侵蚀开裂部位的老化和裂纹，从而对塔设备自身造成损害。所以，对于已发现的裂纹和受压的塔设备，必须及时的进行修复和防范，以保证其设备和操作的安全和有效。一家工厂在对苯酚制甲苯的反应器进行大修时，发现其内部和塔板均存在由氯化物引起的应力侵蚀开裂。塔设备中部分靠近液体高度处的一条大约数十公分的裂缝尤为突出。在长期的张拉和腐蚀介质的双重影响下，材料产生了脆裂纹断裂。在塔设备中，应力腐蚀开裂包括：应力腐蚀开裂、硫酸应力腐蚀开裂、碳酸盐应力腐蚀开裂等。在大部分的精馏塔设备装置中，常发生湿化氢的应力腐蚀裂纹，例如：加氢塔设备、催化裂化塔设备、分馏塔设备、吸收塔设备、汽提塔设备、酸水汽提塔等。在石油、焦化塔设备和催化裂化塔设备等塔设备内，存在着持续的硫酸盐腐蚀裂纹。当塔设备发生应力侵蚀开裂时，其断裂处会出现较大的应力聚集。在风载荷的影响下，塔设备的结构会产生拉应力。拉伸和应力的作用是互相重叠的。重叠后产生的压力会超出允许使用的强度，从而对塔设备结构产生损害和损坏[3]。另外，因应力的集中，导致了区域内的应力迅速增加。而在不同时期，由于风载荷的影响，会发生不同的荷载，即交变荷载施加于塔设备，从而引起塔设备内的交变应力。由于塔设备的使用寿命较长，在受压应力作用下，会产生应力侵蚀裂缝，产生疲劳断裂，从而造成塔设备自身的疲劳失效。对发现存在应力侵蚀开裂并采用保护措施的塔设备，进行了风载荷下的应力场试验，根据实际状况，采用了适当的处理方法，保证了其设备和系统的正常运转。

4、塔设备内的焊接不良隐患

焊接缺陷是焊接不完全，有裂纹、未焊透、夹渣、气孔及焊接面型缺陷等。这种缺陷减小了焊接截面，减小了载荷，导致了应力的聚集和开裂。疲劳强度会下降，容易造成焊接零件的破裂和断裂。对这些问题影响最大的是焊缝开裂和不熔合。根据焊缝的形态，焊接缺陷可分为两种：面型缺陷（外观缺陷）和体积型缺陷等。对于面型缺陷，面型缺陷的危害要比体积型缺陷严重得多，而表面的损伤又会对结构的可靠性产生一定的影响，因此必须加强面型缺陷的处理。焊缝附近存在着较多的应力和应变的聚集，在特定情况下，裂纹会逐渐增大，直至断裂[4]。焊缝中出现的焊缝疲劳断裂、脆性断裂和应力侵蚀断裂等都是造成焊接缺陷的主要原因。在焦炭塔中，以裙座和塔设备连接之间的接头焊缝最为关键。在塔设备的裙座和塔设备自身连接之间存在焊缝，在承受风载荷的情况下，极有可能使塔设备发生交变应力。造成焊接缺陷的局部裂纹和失效，严重时会造成塔设备的损伤，会导致塔设备无法正常运转。所以，对焊接部位进行准确的测量很有必要。对于部分地区的塔设备，要更加注意，以免出现意外。从前面的介绍中可以看到，由于裙座以及塔筒体封头的焊接位置所承受的压力比较大，所以在风载荷的影响下，对这一位置进行应力分析是十分有意义的[5]。例如某厂对焦炭塔设备进行了检测，结果表明：该装置的尾端和塔设备自身接头处出现了一条环形裂缝，该裂缝最深达5毫米。美国石油协会于曾经对54个焦炭塔设备进行了一次全面的研究，发现97%以上的塔体环焊接裂纹（以环形焊接点为主）。在塔设备连接处与裙座部的接头部位，如果发生焊接裂纹，会对施工造成危害。尤其是对有裂纹的塔设备的结构进行了风载荷的影响时，塔设备会发生交变应力。在交流压力的作用下，会引起焊缝裂纹和失效，进而导致塔设备的损坏。所以，在塔设备检修期间，应对各焊点进行全面的检查，尤其是对沿海塔设备的风载荷进行安全测评，避免发生事故。在风载荷的作用下，裙座和塔筒/封头的焊缝会产生较大的应力，因此，需要对其进行应力校核[6]。

结语：本文从塔身腐蚀失效形式、焊缝缺陷、设备风载荷等几个方面，对风载荷作用下塔设备腐蚀失效及焊缝缺陷进行了分析论证。沿海地区的塔型设备，因整体腐蚀而导致壁厚减薄，在进行结构设计时，要确保结构的强度和稳定性就必须充分考虑风载荷的影响。通过利用过程设备强度计算软件 SW6对薄塔体进行检测，获得最小壁厚，并与减薄塔的实际测量结果进行比较。在局部腐蚀、应力腐蚀和焊接缺陷等方面，应充分考虑在交变应力下的疲劳、强度和稳定性[7]。应用 ANSYS软件对此区域进行了分析、检验，并针对具体情况采取了相应的加固、补强等安全措施，确保了塔设备的正常使用，通过大量实例验证了该方法的有效性。

参考文献

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[3] 陈伟，秦仙蓉，杨志刚，詹澎明. 塔式起重机整机风场模拟下的风载荷特性分析[J].机械设计， 2019，36，（2）：19-25.

[4] 韦权权，杨文庭.对小直径高耸塔器挠度控制的讨论［J］.当代化工，2020，49（02）：501-504.

[5] 杨帅，宋项宁，张日鹏 . 高耸塔设备风振安全预警方法［P］. 北京：CN111696315A，2020-09-22

[6] 张平，秦然，吴剑华 . 风载作用下板式塔塔顶挠度的计算［J］. 压力容器，2012，29（05）：42-45.

[7] 周英宝．压力试验方式对大型塔设备设计的影响［Ｊ］．化学工程与装备，２０２１（７）：１４６－１４８．