球罐的質(zhì)量分析及裂紋分析

劉 徐

遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學院 （沈陽 110161）

鋼制球罐，其殼體呈球形，是貯存和運輸各種液體、氣體、液化氣體的經(jīng)濟實用的壓力容器，廣泛應(yīng)用于化工、石油、造船及城市煤氣工業(yè)等領(lǐng)域。

與圓筒形壓力容器相比，球罐具有受力均勻、承載能力強、壁厚和表面積小等主要優(yōu)點。另外，球罐要比圓筒形容器節(jié)約30%～40%的鋼材，但球罐的制造技術(shù)含量比較高、制造費用也高，所以從經(jīng)濟性考慮，儲存大容積物質(zhì)時，才優(yōu)先選用球罐，總體來說球型容器沒有圓筒型容器的應(yīng)用廣泛。近些年，我國化工、石油、造船、冶金以及國防工業(yè)不斷發(fā)展，對大容積壓力容器需求量顯著增加，球罐的數(shù)量日益增多，球罐的容積和壓力也在逐漸增大，但在安全使用方面仍然存在隱患，常常有災(zāi)難性的事故發(fā)生，因此對其進行嚴格的質(zhì)量控制是保證生產(chǎn)安全的必要手段。

1 球罐質(zhì)量缺陷

通過近年來的球罐失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，我國的球罐失效事故有75%是源于焊接、組裝兩類因素。裂紋作為比較嚴重的焊接缺陷，引起大量失效事故，也是導(dǎo)致球罐失效的主要原因。

1965 年英國壓力容器標準化委員會的統(tǒng)計結(jié)果顯示，壓力容器在役期間發(fā)生失效事故的共計132臺，其中由裂紋造成失效事故的計118臺，占事故總數(shù)89.3%；1978年日本神奈川縣的調(diào)查結(jié)果顯示，從20世紀50年代開始建造的200m3以上的各種球罐共計210臺，其中檢測出裂紋的有152臺，占73%。由此可見，從某種意義上說，球罐的質(zhì)量控制主要就是裂紋的控制。

通過以上數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)影響鋼制球罐質(zhì)量的主要因素就是裂紋。在球罐的環(huán)縫區(qū)和焊接應(yīng)力較少的焊縫區(qū)常出現(xiàn)較多裂紋，這些裂紋經(jīng)常源于熱影響區(qū)的過熱區(qū)，并沿焊縫兩側(cè)同時開裂，形態(tài)非常細小。開裂部位的斷口經(jīng)掃描分析，可以發(fā)現(xiàn)開裂的斷面具有沿晶開裂形式，斷面上有腐蝕產(chǎn)物和二次開裂現(xiàn)象，晶粒較光滑且表面的腐蝕坑較小。裂紋源表面的覆蓋物中，硫越靠近內(nèi)表面，覆蓋物硫的含量越高，由此推斷裂紋的產(chǎn)生主要是受硫化物的影響。裂紋的開裂常見有穿晶開裂、沿晶開裂兩種形式，當位錯呈平面排列時，主要在晶粒內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力集中，形成穿晶開裂；當位錯呈網(wǎng)狀排列時，主要在晶界處發(fā)生應(yīng)力集中，形成晶間開裂。

2 球罐裂紋產(chǎn)生原因

鋼制球罐的裂紋主要是在制造過程中和使用過程中產(chǎn)生的，所以要預(yù)防裂紋產(chǎn)生，就必須通過這兩種途徑進行嚴格的控制和維護，這也正是解決鋼制球罐使用過程中安全隱患的關(guān)鍵因素，應(yīng)該引起高度重視。

2.1 制造中產(chǎn)生的裂紋

鋼制球罐在制造中產(chǎn)生的裂紋主要是氫致裂紋，產(chǎn)生的原因主要有材料焊接性、組裝時的拘束應(yīng)力和焊接工藝等三個方面。

目前國內(nèi)制造球罐用得最多的低合金高強度鋼有16MnR、15MnVR，這些鋼淬硬傾向較大，對裂紋比較敏感。球罐材料的焊接過程中主要產(chǎn)生以下2種裂紋：(1)焊接冷裂紋。焊接接頭冷卻到較低溫度（對于鋼來說一般是指Ms點以下）時產(chǎn)生的裂紋，稱為冷裂紋。拘束應(yīng)力、淬硬組織和氫的共同作用，使焊接接頭產(chǎn)生的開裂就屬于冷裂紋。冷裂紋主要發(fā)生在中碳鋼、高碳鋼以及合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接接頭中，特別易于出現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)。發(fā)生在焊縫中的冷裂紋通常是橫向裂紋，開裂形式為穿晶開裂。(2)再熱裂紋。某些合金鋼焊后消除應(yīng)力處理過程中產(chǎn)生的裂紋，稱為消除應(yīng)力處理裂紋；在高溫合金焊后時效處理或高溫使用過程中伴隨時效沉淀硬化而出現(xiàn)的裂紋，稱為應(yīng)變時效裂紋。這種焊后對接頭再次加熱所引起的裂紋統(tǒng)稱為再熱裂紋。熔合區(qū)和熱影響區(qū)常有再熱裂紋產(chǎn)生，其開裂形式為沿晶開裂。

組裝應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力是拘束應(yīng)力的主要形式，制造球殼時產(chǎn)生的曲率偏差和低合金高強鋼的固有特性等因素，導(dǎo)致組裝應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力隨鋼板厚度增加而增加。另外，組裝現(xiàn)場的條件惡劣時，難免會出現(xiàn)較大的尺寸偏差、角變形和錯邊量，造成局部應(yīng)力集中，產(chǎn)生焊接裂紋。還有就是，球罐的環(huán)縫拘束度比縱縫拘束度要大得多。我國質(zhì)量檢測部門對7個煉油廠的球罐進行檢測后，發(fā)現(xiàn)了1 487條裂紋，其中發(fā)生在環(huán)縫上的裂紋有1 242條裂紋，占裂紋總數(shù)的83.5%。

焊接工藝對裂紋產(chǎn)生的影響主要體現(xiàn)在4個方面：

(1)焊條若不嚴格按照要求烘干，焊縫中會產(chǎn)生較多的水分、氫氣，進而導(dǎo)致氫致裂紋的產(chǎn)生；

(2)焊接線能量選擇不當，直接影響焊接接頭的組織性能，增加裂紋產(chǎn)生的可能性；

(3)預(yù)熱、后熱、層間溫度等控制不當，不僅接頭組織性能不能得到改善，消氫和消除內(nèi)應(yīng)力的效果不好，甚至還會增加氫致裂紋產(chǎn)生的可能性；

(4)合理地選擇焊接順序，有利于控制焊接變形和減少焊接應(yīng)力，也可有效避免裂紋的產(chǎn)生。

2.2 使用過程中產(chǎn)生的裂紋

鋼制球罐在使用過程中產(chǎn)生的裂紋主要有腐蝕開裂、疲勞裂紋。

球罐所接觸的介質(zhì)除大氣外，還有各種酸、堿、液態(tài)烴、液化石油氣、液氨等，成分比較復(fù)雜。晶間腐蝕開裂或應(yīng)力腐蝕開裂是多種因素共同作用的結(jié)果，主要有材質(zhì)、介質(zhì)、應(yīng)力。金屬材料并不是在任何腐蝕介質(zhì)中都產(chǎn)生腐蝕開裂，材質(zhì)與介質(zhì)之間具有一定的匹配性，也就是某種材料只有在某種介質(zhì)中才產(chǎn)生腐蝕開裂。純金屬不產(chǎn)生腐蝕開裂，而即使含微量元素的合金，在特定的腐蝕環(huán)境中也會具有一定腐蝕開裂的傾向，但并非在任何環(huán)境都會產(chǎn)生腐蝕開裂。此外，產(chǎn)生腐蝕開裂存在臨界應(yīng)力，當結(jié)構(gòu)中應(yīng)力水平低于臨界應(yīng)力時是不會產(chǎn)生腐蝕開裂的。

球罐在交變應(yīng)力作用下，最主要的失效形式就是疲勞裂紋，此種裂紋是在遠低于材料抗拉強度或屈服點的條件下產(chǎn)生的，由此產(chǎn)生的斷裂占零件斷裂的80%。疲勞裂紋常出現(xiàn)在未焊透、夾渣、咬邊等缺陷處，這些部位應(yīng)力較集中，是“先天”的疲勞裂紋源。交變應(yīng)力在危險截面處多次循環(huán)后，晶粒中的薄弱地帶出現(xiàn)不均勻滑移帶，從而形成初始裂紋，裂紋尖端在切應(yīng)力作用下發(fā)生反復(fù)塑性變形，導(dǎo)致裂紋擴展，最終斷裂。

3 結(jié)語

本文主要是對鋼制球罐的焊接質(zhì)量進行分析，并針對影響鋼制球罐焊接質(zhì)量的主要因素裂紋的產(chǎn)生進行了一定的分析。鋼材的選取、球罐的制造與組裝、焊接工藝、殘余應(yīng)力的消除等都會對防止裂紋的產(chǎn)生起主要作用，只有對裂紋進行有效的控制，才可以解決鋼制球罐的質(zhì)量問題。

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