JFE-HITEN610U2L鋼制丙烯球罐首次開(kāi)罐檢驗(yàn)與分析

王清棟 陳輝華 常 虎 王 林 劉國(guó)棟 王傳標(biāo) 郝偉沙

(1.合肥通用機(jī)械研究院；2.安徽壓力容器與管道安全技術(shù)省級(jí)實(shí)驗(yàn)室；3.中國(guó)石化股份有限公司長(zhǎng)嶺分公司)

某石化公司采用日本JFE-HITEN610U2L鋼建造了3臺(tái)3 000m3丙烯球罐，該3臺(tái)球罐的球殼板于2009年9月進(jìn)行壓制，2009年9月至2010年8月在現(xiàn)場(chǎng)組焊。球罐自2010年9月投運(yùn)至今，使用狀況良好，運(yùn)行穩(wěn)定。2011年8～10月對(duì)3臺(tái)球罐進(jìn)行全面檢驗(yàn)。筆者簡(jiǎn)述了球罐設(shè)計(jì)、制造和現(xiàn)場(chǎng)組焊的情況，介紹了首次開(kāi)罐檢驗(yàn)的過(guò)程和檢驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題和可能的原因進(jìn)行了分析。

1 設(shè)計(jì)概況

這3臺(tái)球罐是國(guó)內(nèi)首批建造的3 000m3丙烯球罐，采用應(yīng)力分析法設(shè)計(jì)，球殼板材料為JFE-HITEN610U2L鋼，內(nèi)徑為18 000mm，設(shè)計(jì)溫度50℃，設(shè)計(jì)壓力2.16MPa，名義厚度為50mm。

由于受鋼板尺寸本身的限制，該3臺(tái)球罐采用四帶十支柱混合式結(jié)構(gòu)。其中上極帶7塊，上溫帶20塊，下溫帶20塊，下極帶7塊，總共54塊球殼板。焊縫總長(zhǎng)度525.6m。

2 制造安裝情況

2.1 殼板材料和焊接材料

2.1.1球殼用鋼板

球殼采用的JFE-HITEN610U2L鋼屬-50℃調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼，通過(guò)了日本焊接協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)WE3003的認(rèn)證。我國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)于2006年也對(duì)其進(jìn)行了評(píng)審認(rèn)證，在我國(guó)可作為-50℃低溫壓力容器用鋼。相關(guān)資料顯示，該鋼板性能優(yōu)良，滿足技術(shù)條件要求[1]。

2.1.2焊條

選用與JFE-HITEN 610U2L鋼板相匹配的日本LB-65L焊條，該焊條熔敷金屬為Ni-Ti-B系(Ti-B聯(lián)合作用抑制粗大先共析鐵素體出現(xiàn)和促進(jìn)細(xì)小針狀鐵素體形成)。該焊條熔敷金屬中Ni含量較高(2.5%左右)，晶粒細(xì)小，低溫沖擊韌性優(yōu)良；熔敷金屬擴(kuò)散氫含量較低，氣相色譜法測(cè)定[H]≤5.0mL/100g，屬于超低氫型，具有良好的抗裂性能；該焊條引弧、脫渣等工藝性能優(yōu)良，適于全位置焊接。相關(guān)資料顯示該焊條性能優(yōu)良，滿足技術(shù)條件要求[1]。

2.2 制造

上支柱、人孔和工藝接管均在制造廠內(nèi)進(jìn)行了焊接和熱處理，上、下支柱的對(duì)接、組焊在安裝現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。為了防止球殼板變形，在運(yùn)輸過(guò)程中采用固定胎具對(duì)球殼板進(jìn)行支撐固定。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)驗(yàn)，滿足標(biāo)準(zhǔn)[2]和設(shè)計(jì)要求。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)組焊

2.3.1組裝方法

目前大型球罐通常都采用散片組裝法。散片組裝又以組裝卡具在內(nèi)外表面的位置不同分為內(nèi)組裝法和外組裝法。該批球罐組裝時(shí)采用了外組裝，與內(nèi)組裝法相比，外組裝法能最大限度的減少內(nèi)部工卡具痕跡點(diǎn)，從而盡可能地避免因工卡具痕跡點(diǎn)的材料損傷與介質(zhì)接觸后發(fā)生的腐蝕。該球罐組焊時(shí)的工卡具痕跡點(diǎn)共有約1 200多處，采用外組裝法后在球罐內(nèi)表面的工卡具痕跡點(diǎn)僅有336處。

2.3.2焊后無(wú)損檢測(cè)

球罐焊接結(jié)束36h以后，且焊縫表面的形狀尺寸和外觀檢查合格后，進(jìn)行球罐的無(wú)損檢測(cè)。該批球罐在設(shè)計(jì)時(shí)要求100%的射線檢測(cè)Ⅱ級(jí)合格和100%的超聲檢測(cè)Ⅰ級(jí)合格，同時(shí)在球罐焊后(熱處理前)、熱處理后、水壓試驗(yàn)后對(duì)球罐對(duì)接焊縫、工卡具痕跡進(jìn)行100%的磁粉檢測(cè)Ⅰ級(jí)合格。

但由于該批球罐為四帶結(jié)構(gòu)，單臺(tái)球罐焊縫長(zhǎng)度達(dá)525.6m，加之鋼板厚度達(dá)50mm，用X射線檢測(cè)將耗費(fèi)大量時(shí)間和人力。根據(jù)球罐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)操作實(shí)際要求，大部分球罐都采用γ射線全景曝光進(jìn)行檢測(cè)。但是根據(jù)JB4730.2-2005的規(guī)定，Rm≥540MPa的高強(qiáng)材料選用γ射線進(jìn)行檢測(cè)時(shí)須采用T2類或者更高的膠片[3]。采用γ源檢測(cè)選用T2或者更高級(jí)別膠片時(shí)，將導(dǎo)致球罐全景曝光時(shí)間延長(zhǎng)，對(duì)周邊環(huán)境和其他施工單位的施工過(guò)程造成很大影響，且根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)隨著曝光時(shí)間的延長(zhǎng)，底片質(zhì)量降低。

為保證該批球罐的檢測(cè)質(zhì)量，在征得建設(shè)單位和設(shè)計(jì)單位同意且在國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局備案后，該3臺(tái)球罐選用TOFD檢測(cè)代替射線檢測(cè)。

3 檢驗(yàn)內(nèi)容的確定

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，使用標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限Rm≥540MPa材料制造的球形儲(chǔ)罐，應(yīng)在投用一年后開(kāi)罐檢驗(yàn)[4]。

由于罐體外表面已經(jīng)防腐處理，且附近其他儲(chǔ)罐儲(chǔ)存有易燃易爆類介質(zhì)，本次開(kāi)罐檢驗(yàn)主要在球罐的內(nèi)表面進(jìn)行。首先對(duì)罐體內(nèi)表面進(jìn)行宏觀檢查，對(duì)罐體壁厚(每塊球殼板取5個(gè)點(diǎn))進(jìn)行測(cè)定，其次對(duì)罐體對(duì)接焊縫內(nèi)表面硬度測(cè)試，然后對(duì)罐體內(nèi)表面進(jìn)行100%熒光磁粉檢測(cè)，最后進(jìn)行對(duì)接焊縫20%超聲和10%的TOFD檢測(cè)抽查。

TOFD檢測(cè)抽查部位為球罐安裝時(shí)曾返修的部位、球罐安裝超聲檢測(cè)時(shí)曾發(fā)現(xiàn)可記錄缺陷的部位、磁粉檢測(cè)發(fā)現(xiàn)表面裂紋的部位和超聲檢測(cè)有懷疑的部位，同時(shí)對(duì)罐體的上下極帶各縱焊縫和FB、AB、AG 3條環(huán)焊縫共選擇一定的長(zhǎng)度范圍進(jìn)行了檢測(cè)。

超聲檢測(cè)抽查部位為球罐安裝時(shí)曾返修的部位、球罐安裝超聲檢測(cè)時(shí)曾發(fā)現(xiàn)可記錄缺陷的部位、磁粉檢測(cè)發(fā)現(xiàn)裂紋的部位和TOFD檢測(cè)有懷疑的部位，同時(shí)對(duì)罐體的上下極帶各縱焊縫和FB、AB、AG 3條環(huán)焊縫共選擇一定的長(zhǎng)度范圍進(jìn)行了檢測(cè)。

4 檢驗(yàn)結(jié)果

3臺(tái)球罐的檢測(cè)結(jié)果匯總見(jiàn)表1。

表1 球罐檢驗(yàn)結(jié)果

(續(xù)表1)

4.1 宏觀檢查

錯(cuò)邊量、棱角度、余高和橢圓度均在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍，未發(fā)現(xiàn)氫鼓包，焊縫熔合線略低于母材，安全附件經(jīng)過(guò)校驗(yàn)均在有效期內(nèi)。

腐蝕情況：3臺(tái)球罐內(nèi)表面存在不同程度腐蝕，其中上極帶內(nèi)表面有斑點(diǎn)狀銹蝕凸起或斑塊狀銹蝕翹起，上溫帶內(nèi)表面有不規(guī)則斑塊狀銹蝕翹起或鱗片狀銹蝕剝落；赤道帶內(nèi)表面尤其是內(nèi)表面下部有不規(guī)則狀銹蝕剝落；下極帶內(nèi)表面呈均勻點(diǎn)狀銹蝕，并伴有φ1.0～2.0mm,深約0.5mm的斑點(diǎn)狀蝕坑。罐體對(duì)接焊縫內(nèi)表面均呈修磨痕跡，焊縫表面局部有點(diǎn)狀蝕坑。

每臺(tái)球罐內(nèi)表面有336處工卡具痕跡點(diǎn)，工卡具焊跡修磨點(diǎn)均與球罐母材打磨過(guò)渡，修磨部位多低于母材，深度為1.0～1.5mm范圍，宏觀檢查未見(jiàn)異常。

4.2 壁厚檢測(cè)

每臺(tái)球罐由54塊球殼板組成。球殼板超聲波測(cè)厚結(jié)果：每塊球殼板四角及中心各取5點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)球罐各帶的實(shí)際板厚都略大于名義厚度0．6～2．0 mm，這是由于承包商在訂購(gòu)鋼板時(shí)要求正偏差，機(jī)械加工時(shí)對(duì)球殼板壓型過(guò)程的減薄量給予了充分考慮。

4.3 硬度檢測(cè)

采用布氏硬度法對(duì)罐體對(duì)接焊縫和上、下極人孔凸緣與罐體連接的焊縫內(nèi)表面共選擇36處進(jìn)行測(cè)試，硬度測(cè)試值均在正常范圍以內(nèi)。

4.4 內(nèi)表面磁粉檢測(cè)

球罐焊縫內(nèi)表面和上、下極板的兩個(gè)人孔、接管焊縫內(nèi)表面和工卡具痕跡點(diǎn)進(jìn)行熒光磁粉檢測(cè)。3臺(tái)球罐在內(nèi)焊縫表面和工卡具痕跡點(diǎn)都檢出少量不同長(zhǎng)度的表面裂紋，裂紋打磨后均消除，打磨深度不超過(guò)1.5mm，打磨后形成的凹坑在允許范圍內(nèi)不需要補(bǔ)焊。

4.5 焊縫內(nèi)部檢測(cè)

超聲波檢測(cè)。對(duì)3臺(tái)球罐的丁字口周圍焊縫、磁粉檢出缺陷處、球罐組對(duì)超次返修處和3條環(huán)縫(FB、AB、AG)抽取一定長(zhǎng)度比例進(jìn)行檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)可記錄缺陷。

TOFD檢測(cè)。對(duì)3臺(tái)球罐安裝時(shí)曾返修的部位，球罐安裝過(guò)程中超聲檢測(cè)曾發(fā)現(xiàn)可記錄缺陷部位，磁粉檢測(cè)發(fā)現(xiàn)缺陷的部位，超聲檢測(cè)有懷疑的部位和環(huán)焊縫進(jìn)行一定長(zhǎng)度的抽查，除發(fā)現(xiàn)兩處標(biāo)準(zhǔn)允許的缺陷和一些點(diǎn)狀缺陷顯示外，檢測(cè)結(jié)果未見(jiàn)異常。

5 結(jié)果分析

由于在球罐制造、運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)組焊施工過(guò)程中，都采用了相應(yīng)的防變形措施和合理的施工工藝，球罐的錯(cuò)邊量、棱角度、橢圓度和焊縫余高檢測(cè)優(yōu)良；又經(jīng)焊后整體熱處理消應(yīng)力，球罐整體應(yīng)力比較小。開(kāi)罐檢查顯示球罐幾何形狀保持良好。

從宏觀檢查結(jié)果來(lái)看，3臺(tái)球罐以均勻腐蝕為主，運(yùn)行良好。從壁厚檢查來(lái)看，3臺(tái)球罐的壁厚均符合標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求，未出現(xiàn)明顯的減薄現(xiàn)象。

從硬度檢測(cè)來(lái)看，3臺(tái)球罐的硬度均在正常范圍內(nèi)，說(shuō)明球罐運(yùn)行良好，焊縫有足夠的韌性。

從工卡具點(diǎn)的磁粉檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，工卡具焊接打磨處有表面裂紋缺陷存在。具體原因?yàn)榍蚬薨惭b單位對(duì)工卡具的焊接工藝重視不夠，使得去除工卡具時(shí)的工藝執(zhí)行不嚴(yán)。甚至去除后的工卡具焊接打磨處檢驗(yàn)不徹底，留有原始缺陷，其與介質(zhì)、載荷共同作用，使得工卡具點(diǎn)處產(chǎn)生了新的缺陷或是缺陷擴(kuò)展。有效的解決辦法是采用外組裝法，盡可能減少內(nèi)表面的工卡具點(diǎn)，對(duì)于實(shí)在無(wú)法避免的，應(yīng)加強(qiáng)工卡具點(diǎn)的焊接工藝檢查力度，嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝并認(rèn)真進(jìn)行表面檢測(cè)。

球罐焊縫表面產(chǎn)生裂紋的主要原因?yàn)椋呵蚬藓缚p本身有一定的殘余應(yīng)力和介質(zhì)腐蝕的雙重作用，另外，有可能是球罐建造時(shí)表面檢測(cè)遺漏所致。表面裂紋一旦擴(kuò)展，通常會(huì)造成母材開(kāi)裂，進(jìn)而可造成泄漏等事故，其危害程度不可小視。這就要求施工單位加強(qiáng)焊接工藝的執(zhí)行、控制，強(qiáng)化自檢，確保焊接質(zhì)量，把缺陷消除在萌芽狀態(tài)。

從實(shí)際檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，3臺(tái)球罐焊縫表面裂紋擴(kuò)展不明顯，打磨后可以消除，打磨深度不超過(guò)1.5mm。

6 結(jié)束語(yǔ)

該3臺(tái)球罐投入運(yùn)行一年后基本為均勻腐蝕，滿足設(shè)計(jì)和建造的要求，能保證設(shè)備正常運(yùn)行。球罐組裝過(guò)程中的工卡具點(diǎn)的焊接和檢驗(yàn)應(yīng)引起施工各方的重視。此前，由于國(guó)內(nèi)對(duì)TOFD檢測(cè)的原理和靈敏度了解不夠，較少用于球罐檢驗(yàn)。從該批球罐TOFD檢測(cè)代替射線檢測(cè)的實(shí)踐來(lái)看， TOFD用于球罐檢驗(yàn)是可行的，同時(shí)也驗(yàn)證了新版《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》引入TOFD檢測(cè)的必要性。

[1] 王清棟，郝偉沙，王安軍，等．JFE-HITEN610U2L鋼制丙烯球罐組焊技術(shù)[J].電焊機(jī)，2012，42(4)：28～32．

[2] GB50094-1998，球形儲(chǔ)罐施工與驗(yàn)收規(guī)范[S]．北京：中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，1998．

[3] JB/T 4730.2-2005，承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第2部分：射線檢測(cè)[S]．北京：中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2005．

[4] TSG R7001-2004，壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則[S]．北京：中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2004．