TOFD檢測技術(shù)下的低溫乙烯球罐焊接質(zhì)量控制措施

何前進(jìn)，陳輝華，常 虎

(1.合肥通用機(jī)械研究院，安徽 合肥 230088；2.中石化長嶺分公司，湖南岳陽414012）

0 前言

2011年某化工區(qū)擴(kuò)建了數(shù)臺2 000 m3低溫乙烯球罐，總包單位為合肥通用機(jī)械研究院，球殼板材質(zhì)為JFE-HITEN610U2L鋼板，壁厚46 mm，設(shè)計(jì)溫度-40℃，設(shè)計(jì)壓力2.4 MPa。該罐組設(shè)計(jì)溫度低、壓力高，承載的是易燃易爆介質(zhì)，又臨近裂解裝置，一旦泄露后果不堪設(shè)想。

為了保證建造質(zhì)量，避免射線檢測對周圍裝置的干擾，本項(xiàng)目采用了先進(jìn)的TOFD檢測方法。分析TOFD檢測技術(shù)的特點(diǎn)，針對球罐容易產(chǎn)生的缺陷以及該球罐用鋼的焊接特點(diǎn)進(jìn)行分析，采取合適的控制措施，降低了焊接缺陷的產(chǎn)生機(jī)率，保證了低溫乙烯球罐的焊接質(zhì)量。

1 TOFD檢測技術(shù)在大型球罐安裝上的應(yīng)用

球罐建造日趨大型化，厚度也隨之增加。傳統(tǒng)內(nèi)部缺陷檢測方法為射線檢測和超聲波檢測，射線檢測直觀，但隨著被檢工件厚度的增加，檢測時(shí)間加長，導(dǎo)致靈敏度降低，從而大大增加漏檢率，且對周圍環(huán)境影響較大。另外，各個(gè)平面的缺陷在板厚方向疊加，最后投影到膠片上，容易造成過度返修，且返修時(shí)難以判斷缺陷的深度；超聲波檢測靈敏度高，能判斷缺陷的深度，但對球罐主要以渣類為主的缺陷，其反射波幅長較低，容易漏檢，且不能保留現(xiàn)場記錄，對操作人員的要求很高。TOFD檢測是依靠超聲波與缺陷端部的相互作用發(fā)出的衍射波來檢出缺陷并對其進(jìn)行定量的。這與根據(jù)反射信號檢出缺陷，根據(jù)反射信號幅度評定缺陷尺寸的傳統(tǒng)超聲波檢測方法截然不同。且能保留掃描圖像，具有適應(yīng)厚度大、檢測靈敏度高、安全環(huán)保以及對裂紋類缺陷敏感性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[1]。

TOFD檢測技術(shù)在我國的試驗(yàn)研究和應(yīng)用已經(jīng)有十幾年了，廣泛應(yīng)用于大型球罐、加氫反應(yīng)器等重要的特種設(shè)備檢測上。檢驗(yàn)人員根據(jù)TOFD檢測掃描的圖像，判斷缺陷的深度和位置，便于尋找缺陷性質(zhì)和分析缺陷產(chǎn)生的原因。其主要局限性是對靠近內(nèi)外表面的缺陷存在盲區(qū)[2]。因此，在具體檢測前必須進(jìn)行焊縫的宏觀檢查、磁粉或滲透檢測，合格后再進(jìn)行TOFD檢測。

球罐焊接的缺陷主要是夾渣，其次是氣孔和裂紋。需要根據(jù)缺陷產(chǎn)生的位置和性質(zhì)具體分析，為后續(xù)類似球罐的焊接和返修工作提供借鑒。

2 低溫乙烯球罐焊接質(zhì)量控制要點(diǎn)及具體措施

該球罐采用JFE-HITEN 610U2L鋼，為低溫調(diào)質(zhì)鋼，主要顯微組織為低碳貝氏體，焊接性能優(yōu)良，但有一定的再熱裂紋傾向。另外，施工時(shí)經(jīng)歷寒冷的冬季，板厚較厚（46 mm），焊接接頭冷卻速度快，拘束應(yīng)力較大，冷裂傾向性較大。因此焊接施工的重點(diǎn)是防止再熱裂紋和冷裂紋的產(chǎn)生，整體熱處理時(shí)應(yīng)避開再熱裂紋敏感溫度區(qū)間，避免產(chǎn)生再熱裂紋；防止冷裂紋的主要措施是降低焊條擴(kuò)散氫的含量、減小焊接接頭拘束應(yīng)力及控制冷卻速度等。

2.1 防止再熱裂紋的控制措施

JFE-HITEN610U2L鋼在650℃時(shí)有一定的再熱裂紋（SRC）敏感性，在580℃×2 h多次SR處理時(shí)AKV（-50℃）仍較多地高于技術(shù)要求值[3]。因此，在焊接工藝評定時(shí)，將SR處理溫度降低至580℃，恒溫2 h，力學(xué)性能指標(biāo)能夠滿足技術(shù)條件要求。這樣其面縮率和臨界斷裂應(yīng)力均大大提高，從而降低產(chǎn)生再熱裂紋的機(jī)率。

另外，按照GB12337-1998的規(guī)定，球罐在熱處理后和耐壓試驗(yàn)后不需進(jìn)行表面無損檢測，造成對可能出現(xiàn)的裂紋檢測失控，給長周期安全運(yùn)行帶來隱患。因此，在整體熱處理后和水壓試驗(yàn)后焊縫進(jìn)行100%的表面磁粉檢測。

表1 球罐組裝后幾何尺寸檢查mmTab.1 Inspection record of geometric size before welding

2.2 防止冷裂紋的控制措施

（1）減少組裝應(yīng)力。焊接拘束應(yīng)力與板厚成正比。本項(xiàng)目板厚為46 mm，厚度較大，因而焊接拘束應(yīng)力也相應(yīng)較大。在組裝過程中不可強(qiáng)力組裝，組裝后的幾何尺寸應(yīng)控制好，檢查結(jié)果如表1所示，可以看出誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）減少擴(kuò)散氫含量。焊條氣相色譜法測定的擴(kuò)散氫含量由標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不大于7.0 mL/100 g提高到不大于5.0 mL/100 g，焊前按批進(jìn)行擴(kuò)散氫含量復(fù)驗(yàn)；使用前進(jìn)行（350℃～400℃）×1 h烘干，再置于100℃～150℃恒溫箱內(nèi)，隨用隨取。

（3）焊接順序。正式焊接前應(yīng)進(jìn)行定位焊，尤其是環(huán)縫位置，間隔不得大于200 mm，定位焊長度不大于50 mm。同時(shí)、同向、同速對稱焊接。遵循先縱后環(huán)，先外后內(nèi)，先大坡口再小坡口的原則。

（4）后退引弧。起弧點(diǎn)和收弧點(diǎn)也是容易產(chǎn)生裂紋的位置，起弧端采用后退起弧法，引弧應(yīng)在坡口內(nèi)進(jìn)行，收弧時(shí)填滿弧坑，層間接頭錯(cuò)開50 mm以上。

（5）預(yù)熱及后熱消氫。定位板、預(yù)焊件和對接焊縫焊前、碳弧氣刨前應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱，范圍以焊接處為中心前后左右至少200mm，溫度大于等于125℃；焊接后應(yīng)立即進(jìn)行（200℃～250℃）×1 h的后熱消氫處理。

（6）氣刨清根。大坡口焊接完畢后應(yīng)在背面進(jìn)行氣刨清根，將定位焊縫清除干凈，然后打磨，進(jìn)行滲透檢測，合格后再進(jìn)行焊接作業(yè)。

（7）打磨。焊后為避免應(yīng)力集中，提高TOFD檢測的準(zhǔn)確性，全部對接焊縫內(nèi)外表面均打磨至與母材齊平（不低于母材），角焊縫打磨至圓滑過渡，不存在急劇的形狀變化。

2.3 防止氣孔產(chǎn)生的控制措施

（1）焊接環(huán)境。焊接前應(yīng)沿球罐四周搭設(shè)防風(fēng)、防雨棚，以確保焊接環(huán)境滿足防風(fēng)、防雨要求。

（2）坡口清理。焊前徹底清除坡口及兩側(cè)100mm范圍內(nèi)的氧化皮、水銹、油污及灰塵等。

（3）用短弧操作，擺幅不得超過焊條規(guī)格直徑的4倍。

2.4 防止夾渣產(chǎn)生的控制措施

（1）提高工人的熟練程度。球罐的焊接在野外進(jìn)行，自然條件惡劣，加之焊縫為全位置焊接，難度較大。因此，對焊工的焊接技能、熟練程度要求較高。為了保證焊接質(zhì)量，施焊之前對持有效證件的焊工進(jìn)行崗前技能培訓(xùn)并模擬考試，合格后方可進(jìn)行球罐的焊接作業(yè)。

（2）層間清理。層間填充前應(yīng)除盡焊渣，防止層間夾渣。

（3）焊接電流。適當(dāng)增大焊接電流，便于焊渣順利脫出，但此時(shí)應(yīng)提高焊接速度，以滿足焊接線能量。

3 焊接接頭力學(xué)性能的控制措施

球罐的焊接質(zhì)量除了減少焊縫缺陷機(jī)率和降低缺陷的漏檢率外，還需保證焊接接頭的力學(xué)性能。為了掌握該鋼的焊接性能尤其是低溫沖擊性能，合肥通用機(jī)械研究院對該鋼進(jìn)行了較為系統(tǒng)的焊接試驗(yàn)[4-6]。研究表明：焊接線能量是影響其低溫沖擊韌性的主要因素，焊接線能量在35 kJ/cm以下時(shí)，焊縫和熱影響區(qū)均具有較高的低溫沖擊韌性；線能量在20~25 kJ/cm范圍內(nèi)性能最佳。

因此，要嚴(yán)格控制線能量確保其在技術(shù)要求范圍之內(nèi)。焊接線能量E=UI/v，但在現(xiàn)場這樣先測量再計(jì)算很不方便，通?？筛鶕?jù)一根焊條的燃燒時(shí)間乘以線能量對應(yīng)下的焊接速度，推算出每根焊條焊接的最短長度，便于現(xiàn)場控制。

4 球罐焊后檢驗(yàn)

球罐焊接完畢后應(yīng)進(jìn)行焊縫的無損檢測和產(chǎn)品試板的力學(xué)性能試驗(yàn)，以檢測球罐的整體質(zhì)量。

4.1 焊后無損檢測

在無損檢測之前應(yīng)進(jìn)行幾何尺寸和外觀質(zhì)量檢查，合格后方可進(jìn)行。TOFD檢測對靠近焊縫表面的缺陷不敏感，因此TOFD檢測前先進(jìn)行焊縫的宏觀檢查，檢查合格后進(jìn)行焊縫表面的磁粉檢測，合格后再進(jìn)行TOFD檢測，以提高其檢測可靠性。TOFD檢測應(yīng)在焊接結(jié)束48 h后進(jìn)行，并進(jìn)行了超聲波復(fù)核，結(jié)果顯示TOFD檢測結(jié)果準(zhǔn)確率很高。

檢測結(jié)果為一次合格率為99.20%。解剖缺陷部位，缺陷主要為夾渣和氣孔，發(fā)現(xiàn)裂紋。

4.2 產(chǎn)品焊接試板

球罐按GB12337-1998標(biāo)準(zhǔn)要求制備產(chǎn)品焊接試板，并按JB4744-2000標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行力學(xué)性能和彎曲性能檢驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 產(chǎn)品焊接試板力學(xué)性能和彎曲性能檢測結(jié)果Tab.2 Mechanical properties of several sampling parts of steel plate

由表2可知，產(chǎn)品焊接試板力學(xué)性能和彎曲性能數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范與技術(shù)條件的要求，且富裕量較大，這表明焊接質(zhì)量控制措施有效，焊后熱處理效果較好。

5 結(jié)論

（1）采取先進(jìn)的組裝方法、嚴(yán)格的焊接工藝規(guī)程并嚴(yán)格執(zhí)行，避免了冷裂紋的產(chǎn)生。

（2）采用先進(jìn)的TOFD檢測手段，降低了缺陷的漏檢率。

（3）焊后整體熱處理控制到位，避免了再熱裂紋的出現(xiàn)；從焊接試板的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，該球罐的強(qiáng)度，尤其是焊接接頭的低溫韌性富裕量較大，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。

[1]關(guān)衛(wèi)和，閻長周，張保中，等.我國壓力容器行業(yè)TOFD檢測技術(shù)的應(yīng)用與進(jìn)展[J].壓力容器，2010，32（12）：961-983.

[2]閻長周，劉 軍，關(guān)衛(wèi)和，等.TOFD檢測在大型球形儲罐制造安裝中的應(yīng)用[J].壓力容器，2011，28（3）：49-54.

[3]何前進(jìn)，吳國俊.SR處理對JFE-HITEN610U2L鋼板及其焊接接頭力學(xué)性能的影響[J].熱加工工藝，2009，38(1)：126-129.

[4]張建軍，房務(wù)農(nóng)，李午申.B610CF與JFE-HITEN610U2L鋼焊接裂紋敏感性比較[J].壓力容器，2008，25（11）：15-18.

[5]汪 輝，卜華全，房務(wù)農(nóng).NK-HITEN610U2L鋼板焊接冷裂紋敏感性[J].石油化工機(jī)械，2006，35（4）：13-16.

[6]何前進(jìn)，吳國俊.乙烯球罐用鋼JFE-HITEN610U2L的焊接[J].熱加工工藝，2009，38(1)：150-151.