不銹鋼球罐定期檢驗解決方案研究

趙盈國 尹建斌 過世均

（寧波市特種設(shè)備檢驗研究院 寧波 315048）

不銹鋼球罐定期檢驗解決方案研究

趙盈國 尹建斌 過世均

（寧波市特種設(shè)備檢驗研究院 寧波 315048）

不同于碳鋼球罐已經(jīng)成熟的定期檢驗方案，不銹鋼球罐定期檢驗中可借鑒的檢驗方案較少。通過分析不銹鋼球罐可能的損傷模式，結(jié)合各檢驗檢測技術(shù)的特點和實際應(yīng)用中的經(jīng)驗，分析了各檢驗檢測項目在不銹鋼球罐定期檢驗過程中的可行性，提出了一般情況下采用的檢驗檢測項目和特定條件下可以實施的項目，達到優(yōu)化不銹鋼球罐檢驗方案的目的。

不銹鋼球罐 定期檢驗 檢驗檢測

目前國內(nèi)制造的球形儲罐大部分為碳鋼材質(zhì)，常見的材料有20R、16MnR、15MnVR、15MnVNR等，但近年來為了滿足儲存介質(zhì)防腐的需要，一些石油化工和精細化工行業(yè)的企業(yè)逐漸開始使用不銹鋼材質(zhì)制造的球形儲罐，常見材料為304L、316L等，但由于目前不銹鋼球罐的設(shè)計、制造、檢驗等方面沒有統(tǒng)一的國家標(biāo)準，而只局限于行業(yè)標(biāo)準，使其在檢驗檢測過程中的依據(jù)不足。

另外由于不銹鋼與碳鋼在物理、化學(xué)等方面的不同特性，以前已經(jīng)成熟的碳鋼球罐檢驗檢測項目有部分應(yīng)用于不銹鋼球罐時存在一定的局限性。由于碳鋼與不銹鋼在損傷模式和檢驗檢測項目方面存在一定的差異，因此針對不銹鋼球罐在定期檢驗過程中的檢驗檢測項目的可行性進行分析，以便針對不銹鋼球罐的檢驗檢測進行進一步的探索。

1 損傷模式

為了更好地選擇檢驗檢測項目首先必須確定設(shè)備的損傷模式。不同于碳鋼材質(zhì)，不銹鋼材質(zhì)在抗腐蝕和韌性方面明顯優(yōu)于碳鋼，但它不可能解決所有的損傷和失效，不銹鋼球罐的幾種主要損傷模式如下。

1.1 腐蝕減薄

不銹鋼一般情況下抗腐蝕能力強于碳鋼，但是在某些介質(zhì)和因素作用下，也會產(chǎn)生嚴重的腐蝕，根據(jù)盛裝介質(zhì)的不同，可能產(chǎn)生有機酸腐蝕、環(huán)烷酸腐蝕和鹽酸腐蝕等。

1.2 環(huán)境開裂

奧氏體不銹鋼最主要的環(huán)境開裂形式為氯化物應(yīng)力腐蝕開裂，這種損傷一般為材料表面呈現(xiàn)樹枝狀開裂，無明顯的腐蝕減薄。不銹鋼球罐一般都在戶外露天使用，由于大氣中含有Clˉ，它們可能導(dǎo)致不銹鋼表面產(chǎn)生表面應(yīng)力腐蝕，這種腐蝕在沿海和有絕熱層的設(shè)備中表現(xiàn)更為突出。

在停工期間，設(shè)備表面的硫化物腐蝕產(chǎn)物與空氣和水反應(yīng)生成連多硫酸，會對敏化后的奧氏體不銹鋼（如熔合區(qū)、熱影響區(qū)等）產(chǎn)生連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂。

1.3 材質(zhì)劣化

奧氏體不銹鋼球罐的材質(zhì)劣化一般是由于焊接工藝不合理或者現(xiàn)場焊接操作失誤等因素產(chǎn)生的，例如晶粒長大和敏化。這種損傷通常造成強度和塑性的降低。

奧氏體不銹鋼還具有明顯的加工硬化特性，對亞穩(wěn)的奧氏體在冷成形加工過程中會誘發(fā)向馬氏體轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致塑性、韌性等性能下降。

1.4 機械損傷

主要損傷形式為過載，它一般是由于操作失誤或突發(fā)事件造成的。過載會導(dǎo)致設(shè)備變形、失穩(wěn)甚至破裂。

1.5 其他損傷

進料和出料口附近可能產(chǎn)生沖蝕，有異種鋼焊接的部位可能產(chǎn)生異種金屬焊縫開裂。

除以上五種損傷模式外，還可能有焊縫的制造缺陷、球罐的沉降失穩(wěn)、材料的鐵素體污染等問題存在，在檢驗檢測過程中須根據(jù)實際情況確定最合理的檢驗檢測項目以保證危險性缺陷不漏檢。

2 檢驗檢測

隨著科技的發(fā)展，檢驗檢測技術(shù)越來越多，如宏觀檢驗、滲透檢測、超聲波檢測、射線檢測、電磁渦流檢測、聲發(fā)射檢測、理化試驗等，因此需要認真分析各個檢驗檢測技術(shù)的適用性，既不能盲目地隨意增加項目，增加使用單位的負擔(dān)，更不能任意減少項目，導(dǎo)致無法有效檢出危險性缺陷。

2.1 宏觀檢驗

宏觀檢查是壓力容器檢驗過程中最簡單有效的檢驗方法［1］，它主要是采用目視方法（必要時利用內(nèi)窺鏡、放大鏡或者其他輔助儀器設(shè)備、測量工具）檢驗壓力容器本體結(jié)構(gòu)、幾何尺寸、表面情況（如裂紋、腐蝕、泄漏、變形），以及焊縫、隔熱層、襯里等。針對不銹鋼球罐的重點檢查一般包括以下內(nèi)容：

2.1.1 結(jié)構(gòu)檢驗

開孔位置及補強，焊縫的布置及形式，支承或支座的型式與布置，排放裝置的設(shè)置等。

2.1.2 幾何尺寸檢驗

同一斷面上最大內(nèi)徑與最小內(nèi)徑之差，焊縫的對口錯邊量、棱角度、咬邊、余高等。

2.1.3 殼體外觀檢驗

銘牌和標(biāo)志，內(nèi)外表面腐蝕，主要受壓元件及焊縫裂紋、泄漏、鼓包、變形、機械接觸損傷、工卡具焊跡、電弧灼傷，法蘭、密封面及緊固螺栓，支座的下沉、傾斜、開裂，支柱的鉛垂度，排放裝置和泄漏信號指示孔的堵塞、腐蝕、沉積物等。

2.1.4 其他檢驗

隔熱層的破損、脫落、潮濕，非受壓元件與球罐本體直接焊接固定的角焊縫等。

2.2 滲透檢測

不銹鋼球罐通常采用滲透檢測發(fā)現(xiàn)內(nèi)外表面裂紋及其他表面缺陷。外表面一般采用溶劑去除型著色滲透檢測（溶劑懸浮顯像劑）方法；內(nèi)表面檢測時為了獲得更高的檢測靈敏度一般采用溶劑去除型熒光滲透檢測（溶劑懸浮顯像劑）。應(yīng)重點檢測應(yīng)力集中部位、變形部位、宏觀檢驗時發(fā)現(xiàn)裂紋的部位、T型接頭、接管角接接頭、補焊區(qū)、工卡具焊跡、電弧損傷處及其他易產(chǎn)生裂紋的部位［1］；另外用于固定支撐結(jié)構(gòu)件的墊板與本體焊接的角焊縫部位由于制造過程中可能未完全按照受壓元件的要求去焊接，焊接質(zhì)量較差，須重點進行滲透檢測，發(fā)現(xiàn)裂紋等危險性缺陷及時進行處理，以免裂紋擴展到本體母材；使用過程中外表面某些容易積聚雨水的部位也需要根據(jù)宏觀檢驗的情況適當(dāng)進行滲透檢測。

2.3 超聲波檢測

超聲波檢測作為一種檢測焊縫埋藏缺陷的方法，一般用于碳鋼材料制造的設(shè)備，也可以應(yīng)用于奧氏體不銹鋼球罐的對接焊縫檢測。但由于奧氏體不銹鋼焊接接頭存在晶粒粗大、柱狀晶粒且各向異性、與母材存在明顯異質(zhì)界面、焊縫組織受焊接工藝和規(guī)范影響大等特點，在超聲波檢測中會存在一定的困難，例如衰減快、散射大、信噪比低、波形轉(zhuǎn)化等［2］。因此在用超聲波檢測不銹鋼球罐時要滿足一些特定的要求來盡量減輕不利因素對檢測的影響。

探頭：一般選用高阻尼窄脈沖縱波斜探頭或雙晶縱波聚焦斜探頭。在實際檢測壁厚為16mm，材料為304L的278m不銹鋼球罐中筆者采用了折射角為45°（K=1）、探頭頻率為2.5MHz的高阻尼窄脈沖縱波單斜探頭進行檢測。

試塊：由于聲波在奧氏體不銹鋼中的傳播比較復(fù)雜，因此需要根據(jù)球罐焊縫的實際尺寸制作專用的試塊。在試塊上制作一定數(shù)量的同深度、不同水平位置的人工反射體（φ2mm橫通孔），測定每個反射體的反射強度，然后利用插值法獲得焊縫中被劃分的各區(qū)域的反射強度，繪制出二維距離波幅表，以此作為評定的基準［3］。

在實際檢測厚度為16mm的不銹鋼球罐時，利用超聲波檢測對射線檢測發(fā)現(xiàn)的一處長度約13mm的坡口未熔合進行實驗性復(fù)探，測得的數(shù)據(jù)為長度13.7mm，深度為7.3mm，位置位于中心偏上約3mm處，長度和位置與射線檢測基本吻合，深度數(shù)值經(jīng)返修時測量也基本處于測量深度附近。

另外利用超聲波原理發(fā)展來的相控陣檢測技術(shù)也可利用到中小厚度不銹鋼球罐，但對大厚度設(shè)備（如壁厚大于30mm以上）檢測還存在很大困難［7］，還需進行進一步的研究探討來提高相控陣的檢測能力。

2.4 射線檢測

鑒于目前制造的不銹鋼球罐壁厚都不大，一般都處于14～20mm之間，因此利用射線檢測不銹鋼球罐焊縫時，相對于超聲波檢測具有以下優(yōu)點：

1）對現(xiàn)場檢測人員的要求不高；

2）可以保證檢測的可靠性和靈敏度；

3）檢測結(jié)果比較直觀；

當(dāng)然射線檢測同時也具有一定的局限性，如缺陷深度無法確定、檢測時需進行隔離等。

2.5 電磁渦流檢測

渦流檢測可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電性金屬材料和焊接接頭表面及近表面缺陷，因此不銹鋼球罐焊接接頭的表面和近表面裂紋可以通過渦流檢測進行快速檢測。但常規(guī)渦流只適用于檢測表面光滑母材上的裂紋，對不銹鋼球罐焊縫上的裂紋會因焊縫表面高低不平而出現(xiàn)雜亂無序的磁干擾而無法檢測。

針對這些問題，人們研究出基于復(fù)平面分析的金屬材料焊縫電磁渦流檢測技術(shù)，這種檢測技術(shù)允許焊縫表面較為粗糙，因此可用于設(shè)備運行過程中的焊縫外表面裂紋的快速檢測，也可用于設(shè)備停產(chǎn)時的定期檢驗。當(dāng)利用這種技術(shù)進行停產(chǎn)定期檢驗的快速檢測時，應(yīng)對可疑缺陷部位進行表面滲透復(fù)檢，以確定表面裂紋的具體部位和大?。?，5］。

2.6 聲發(fā)射檢測

當(dāng)不銹鋼球罐無法進行開罐檢驗或?qū)σ寻l(fā)現(xiàn)的缺陷監(jiān)控它的活躍性時，可以利用聲發(fā)射檢測，從而對球罐的結(jié)構(gòu)完整性進行評價［6］。由于球罐材質(zhì)為不銹鋼，因此為了防止試驗介質(zhì)中含有超標(biāo)的Clˉ導(dǎo)致產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，在試驗前須對試驗介質(zhì)中Clˉ進行化驗，保證Clˉ含量不得超過25mg/L。

檢測前應(yīng)與使用單位確認最高試驗壓力，一般不小于最大操作壓力的1.1倍，當(dāng)工藝條件受限時也不應(yīng)該低于最大操作壓力；升壓速度一般不應(yīng)大于0.5MPa/ min，保壓時間一般應(yīng)不小于10min；聲發(fā)射檢測在達到最高工作壓力的50%前開始進行，檢測過程一般應(yīng)進行兩次加壓循環(huán)過程，第二次加壓循環(huán)最高試驗壓力p2應(yīng)不超過第一次加壓循環(huán)的最高試驗壓力p1，建議p2=94% p1

［8］；當(dāng)聲發(fā)射檢測過程中發(fā)現(xiàn)可疑危險聲發(fā)射源時，必須立即停止加載過程，卸載壓力到安全范圍，利用滲透檢測或超聲波檢測對聲發(fā)射源部位進行檢測，確認此部位無危險性缺陷后方可繼續(xù)檢測過程，若發(fā)現(xiàn)危險性缺陷必須按照要求進行返修處理。

2.7 理化試驗

理化試驗主要包括化學(xué)分析或光譜分析、硬度檢測、金相分析、鐵素體檢測等，具體在現(xiàn)場檢驗過程中需要利用哪種理化試驗方法需要根據(jù)現(xiàn)場的檢驗檢測結(jié)果確定。例如不銹鋼球罐有材質(zhì)劣化傾向，應(yīng)進行硬度檢測，必要時進行金相分析；宏觀檢驗中發(fā)現(xiàn)懷疑有鐵素體污染的部位需要做鐵素體檢測等。

3 總結(jié)

目前只有少數(shù)幾個地區(qū)有在用的不銹鋼球罐，其檢驗檢測工作的開展的還比較少，而保證不銹鋼球罐安全使用的一個重要環(huán)節(jié)就是合理有效的檢驗檢測，對于此類設(shè)備需要根據(jù)各檢驗檢測項目的特點選用成熟、可靠、靈敏度高的方法。不銹鋼球罐定期檢驗中一般以宏觀檢驗、滲透檢測、射線檢測為主；當(dāng)需要對射線檢測出的缺陷深度進行定位時可以采用超聲波檢測；在線檢驗可以利用電磁渦流檢測進行快速檢測，也可以利用聲發(fā)射檢測對球罐的結(jié)構(gòu)完整性進行評價。伴隨檢測技術(shù)的發(fā)展和工作經(jīng)驗的積累，不斷摸索常規(guī)檢測和新檢測方法在不銹鋼球罐的應(yīng)用，使不銹鋼球罐的檢驗檢測更加便捷、實用、可靠。

［1］ TSG R7001—2013 壓力容器定期檢驗規(guī)則［S］.

［2］ 鄭暉，林樹青.超聲檢測［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2008：302-307.

［3］ 張鷹，張延豐，雷毅.奧氏體不銹鋼焊縫的超聲波檢測方法研究［J］.無損檢測，2006，28（3）：119-122.

［4］ 陳鋼，沈功田.壓力容器無損檢測——球形儲罐的無損檢測技術(shù)［J］.無損檢測，2005，27（1）：27-32.

［5］ 李小亭，沈功田.壓力容器無損檢測——渦流檢測技術(shù)［J］.無損檢測，2004，26（8）：411-416.

［6］ 沈功田，李金海.壓力容器無損檢測——聲發(fā)射檢測技術(shù)［J］.無損檢測，2004，26（10）：523-528.

［7］ 胡棟，等.奧氏體不銹鋼焊縫的相控陣超聲檢測［J］.河南科技大學(xué)學(xué)報，2013，34（1）：8-11.

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Study on Solutions for Regular Inspection of Stainless Spherical Tank

Zhao Yingguo Yin Jianbin Guo Shijun
（Ningbo Special Equipment Inspection Institute Ningbo 315048）

Different from mature regular inspection scheme for carbon steel spherical tank， there is less inspection scheme for reference in stainless steel spherical tanks regular inspection. Through analyzing possible damage modes of stainless spherical tank， and combining characteristics of various inspection techniques as well as the experiences in practical application， this paper examines the feasibility of each inspection item in the process of periodical inspection of stainless spherical tank. Further， the study proposes inspection items which can be applied under general circumstances， and the enforceable items under particular conditions. This paper aims to optimize the inspection plans for stainless spherical tank.

Stainless spherical tank Periodical inspection Inspection and examination

X933.4

B

1673-257X（2015）05-46-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.05.009

趙盈國（1982～），男，本科，壓力容器部門責(zé)任工程師，主要從事壓力容器和壓力管道的檢驗和缺陷分析工作。

2014-12-09）