液化石油氣球罐的全面檢驗和缺陷分析

居建龍，張 明

江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院蘇州分院，江蘇 蘇州 215128

球罐儲藏量大，鋼材消耗量較小、占地面積較小，基礎工程簡單。廣泛應用于石油、化工、冶金等部門，用來作為液化石油氣、液化天然氣、液氧、液氨、液氮及其他介質(zhì)的儲存。球罐的質(zhì)量既關系企業(yè)生產(chǎn)，又關系人身安全。一旦發(fā)生事故將是災難性的，給企業(yè)和國家?guī)砭薮蟮呢敭a(chǎn)損失。因此，必須按照國家有關規(guī)定認真開展球罐的定期檢驗和缺陷修復、評定工作， 確保企業(yè)安全生產(chǎn)。本文通過對一例液化石油氣球罐全面檢驗中發(fā)現(xiàn)的缺陷進行了原因分析，提出了預防措施，確保了該液化石油氣球罐的安全運行。

1 球罐概況簡介

某燃氣公司供氣站內(nèi) 1 臺1000m3液化石油氣球罐于1996 年4月投入運行。2009年 12 月對這臺球罐進行第三次全面檢驗，球罐各項主要技術參數(shù)如下所示。

2 球罐全面檢驗

在了解球罐的使用情況和審查相關資料的基礎上， 依據(jù)《壓力容器安全監(jiān)察規(guī)程》、《壓力容器定期檢驗規(guī)則》以及現(xiàn)行的有關標準、技術條件、設計圖樣制訂檢驗方案。主要檢驗項目為宏觀檢查、 壁厚測定、 無損檢測、 硬度測定、 安全附件檢查、 耐壓試驗等。

2.1 宏觀檢查

制作檢驗樣板對成型尺寸進行檢查：錯邊量3mm～6mm。棱角度4m～7.5m；焊縫咬邊超標；焊縫成型不良，余高最高達6mm，焊縫過渡不圓滑。

2.2 超聲波測厚檢查

該球罐原設計壁厚38mm，實測最大厚度39.2mm，最小厚度36.4mm。

2.3 無損檢測

1）表面磁粉探傷檢查

對對接焊縫內(nèi)外表面及熱影響區(qū)進行100%磁粉探傷檢查，內(nèi)外表面共發(fā)現(xiàn)裂紋45處，大部分分布在內(nèi)表面下極板與赤道帶環(huán)向焊縫下熔合線處，最長50mm，最短4mm。如圖1所示。

2）滲透探傷

對球罐的人孔和接管的角焊縫以及支柱角焊縫進行 100%滲透探傷檢測， 均未發(fā)現(xiàn)缺陷。

3）超聲波探傷

對對接焊縫進行100%超聲波探傷檢測，均未發(fā)現(xiàn)缺陷。（探測面為外表面）

圖1

2.4 硬度測定

焊道硬度 HB180-214；

熱影響區(qū) HB167-215；

母 材 HB143-185 ；

裂紋處HB185-215；

由此可見，裂紋處、焊道及熱影響區(qū)硬度局部偏高。

2.5 安全附件檢查

球罐的安全閥、壓力表均在校驗有效期內(nèi)，緊急切斷閥、溫度計以及液位計， 均能符合相關規(guī)程要求。

3 缺陷處理

宏觀檢查中發(fā)現(xiàn)的錯邊量和棱角度超標部位，屬于原始制造缺陷。多年的使用經(jīng)驗證明，在此處無其他缺陷的情況下，保留原始狀態(tài)。依據(jù) 《壓力容器定期檢驗規(guī)則》對所有裂紋進行打磨消除，打磨后遺留下的凹坑就成了球罐的新缺陷。裂紋打磨后形成凹坑的深度如果在壁厚余量范圍內(nèi)，則該凹坑允許存在。否則，將凹坑按其外接矩形規(guī)則化為長軸長度、短軸長度及深度分別為2A （mm）、2B（mm）及C（mm）的半橢球形凹坑，計算無量綱參數(shù)Co，如果Co＜0.10，則該凹坑在允許范圍內(nèi)。否則，進行補焊，經(jīng)過補焊合格后方可安全使用。

4 裂紋產(chǎn)生的原因

從裂紋產(chǎn)生的位置、 大小、 硬度測試值以及球罐使用情況分析看，導致裂紋產(chǎn)生的主要原因是應力腐蝕。

4.1 安裝方面的原因

宏觀檢查中發(fā)現(xiàn)的錯邊量和棱角度超標部位，由于結(jié)構的不連續(xù)，在此會產(chǎn)生很大的集中應力。球罐在野外安裝，受天氣影響大，焊接多采用手工焊，環(huán)境十分惡劣，加之設備大熱處理較不均勻等因素，焊接接頭可能產(chǎn)生晶粒粗大.而這種致密性和塑性較差的焊縫區(qū)以及淬硬性較強的熔合區(qū)在一定載荷下便會產(chǎn)生微裂紋，這種微裂紋雖然不足以使焊接接頭失效，但日積月累，并在高載荷（如高溫，耐壓試驗）作用下就有擴展開裂的危險.

4.2 使用方面的原因

根據(jù)使用單位提供的資料發(fā)現(xiàn)，該罐中的液化石油氣來源于不同的廠家， 所以很難保證水分和 H2S 含量控制在合理范圍內(nèi)。從大量的實驗證明：在20℃左右，H2S對鋼材最敏感，事實上，在用球罐的運行溫度正在此區(qū)域。據(jù)有關文獻證明，H2S含量在5000mg/m3以上就可發(fā)生H2S的應力腐蝕，因此H2S含量越高，在拉應力的作用下腐蝕就越快，該罐的H2S含量偏高，又為應力腐蝕創(chuàng)造了一個必要條件。

4.3 應力腐蝕

運行介質(zhì)中具備了H2S的應力腐蝕環(huán)境。我們知道，應力腐蝕產(chǎn)生必須同時具備3個條件，一是拉應力；二是腐蝕介質(zhì)；三是敏感的金屬。一旦發(fā)生應力腐蝕并產(chǎn)生較長的裂紋，由于裂紋尖端部位應力集中以及滲入裂紋內(nèi)部吸附物質(zhì)的鍥入作用，繼續(xù)在介質(zhì)中腐蝕，促使裂紋的擴展，直到材料斷裂為止。可想而知，應力腐蝕一旦發(fā)生，腐蝕速度是相當快的，而這臺球罐正好為應力腐蝕創(chuàng)造了條件。加上運行時間長造成裂紋的擴展快，范圍大，在內(nèi)表面下極板與赤道帶環(huán)向焊縫下熔合線處出現(xiàn)多處裂紋，主裂紋平直為穿晶裂紋，個別部位有裂紋分枝，為穿晶沉晶混合型裂紋，內(nèi)部均充滿腐蝕產(chǎn)物，顏色為灰黑相間16MnR 低合金高強度鋼、H2S 含量超標的介質(zhì)和高硬度、高應力的環(huán)境足以引起 H2S的應力腐蝕裂紋。因此，認為該球罐裂紋是以應力腐蝕為誘因的脆性斷裂。

5 預防措施

1）降低H2S對焊接接頭的侵蝕.使用單位應盡量避免劣質(zhì)低價的液化石油進入球罐， 內(nèi)表面加涂層（采用熱噴涂鋁和環(huán)氧樹脂）、嚴格控制水分和 H2S 的含量等措施， 可以有效地預防應力腐蝕破裂；

2）磨平焊縫，把球罐內(nèi)表面焊縫余高磨平，使表面光滑平整，不僅仍能保證其強度而且釋放一大部分峰值應力；

3）補焊要特別注意，小裂紋以打磨為主，并以表面無損檢測確認裂紋已清除；確要補焊需嚴格的工藝措施和必要的局部熱處理，并且以無損檢測來保證補焊質(zhì)量；

4）企業(yè)在球罐的繼續(xù)使用過程中， 盡量降低球罐的操作壓力， 減少壓力波動， 加強在線檢驗。

[1]李景辰，馮鋏中，沈行道，等.壓力容器基礎知識.

[2]TSGR7001-2004 壓力容器定期檢驗規(guī)則.

[3]GB/T19624-2004 在用含缺陷壓力容器安全評定.