液化石油氣儲(chǔ)罐缺陷成因及處理方法

李鵬飛

(六安市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心, 六安 237000)

液化石油氣儲(chǔ)罐缺陷成因及處理方法

李鵬飛

(六安市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心, 六安 237000)

對(duì)某液化石油氣儲(chǔ)罐定期檢驗(yàn)時(shí)，經(jīng)磁粉檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其封頭拼接焊縫存在多處缺陷磁痕顯示。分析了缺陷形成原因并制定了相應(yīng)處理方法；對(duì)缺陷進(jìn)行了打磨、補(bǔ)焊、消除應(yīng)力熱處理；最后進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了處理方法的有效性。

裂紋；液化石油氣；儲(chǔ)罐；定期檢驗(yàn)；磁粉檢測(cè)；熱處理

液化石油氣在運(yùn)輸、儲(chǔ)存、充裝過(guò)程中常有事故發(fā)生，故必須加強(qiáng)液化石油氣儲(chǔ)存容器等特種設(shè)備的監(jiān)管和定期檢驗(yàn)工作。

筆者就液化石油氣儲(chǔ)罐在定期安檢中發(fā)現(xiàn)缺陷的形成原因，進(jìn)行了必要的分析，并就此問(wèn)題提供了相關(guān)的解決方案，為液化石油氣的安全運(yùn)輸和存儲(chǔ)提供了安全保障。

1 案例分析

六安市轄區(qū)某液化氣公司站內(nèi)一臺(tái)50 m3液化石油氣儲(chǔ)罐，是由淮南某化機(jī)廠于1996年12月制造，并于1997年8月投入使用的；在2015年12月9日實(shí)施定期檢驗(yàn)過(guò)程中，經(jīng)磁粉檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)排污側(cè)封頭上A12焊縫距A13焊縫700 mm的M處有缺陷磁痕顯示，磁痕連續(xù)長(zhǎng)度為45 mm[1-2](見(jiàn)圖1)。經(jīng)100%磁粉檢測(cè)后，發(fā)現(xiàn)封頭焊縫存在多處裂紋，筆者就其中最長(zhǎng)裂紋M進(jìn)行了分析。裂紋細(xì)節(jié)及尖端見(jiàn)圖2，儲(chǔ)罐具體參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 儲(chǔ)罐展開(kāi)示意

名稱參數(shù)設(shè)計(jì)壓力/MPa1．8設(shè)計(jì)溫度/℃50工作壓力/MPa1．62工作溫度/℃50工作介質(zhì)液化石油氣公稱直徑/mm2400公稱厚度/mm16(筒體)/18(封頭)容積/m350容器類別ⅢMC主體材料16MnR鋼

圖2 裂紋細(xì)節(jié)及尖端

2 裂紋的形成機(jī)理、檢測(cè)過(guò)程與原因分析

2.1 裂紋形成機(jī)理

(1) 濕H2S破壞及損傷機(jī)理：在含水和硫化氫環(huán)境中,碳鋼和低合金鋼所發(fā)生的損傷，包括氫鼓泡、氫致開(kāi)裂、應(yīng)力導(dǎo)向氫致開(kāi)裂和硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂4種形式。

① 氫鼓泡：金屬表面硫化物腐蝕產(chǎn)生的氫原子擴(kuò)散進(jìn)入鋼中，在鋼中的不連續(xù)處(如夾雜物、裂隙等)聚集并結(jié)合生成氫分子，當(dāng)氫分壓超過(guò)臨界值時(shí)會(huì)引發(fā)材料的局部變形，形成鼓泡；② 氫致開(kāi)裂：氫鼓泡在材料內(nèi)部不同深度形成時(shí)，鼓泡長(zhǎng)大導(dǎo)致相鄰的鼓泡不斷連接，形成臺(tái)階狀裂紋；③ 應(yīng)力導(dǎo)向氫致開(kāi)裂：在焊接殘余應(yīng)力或其他應(yīng)力作用下，氫致開(kāi)裂沿厚度方向不斷相連并形成穿透導(dǎo)致表面的開(kāi)裂；④ 硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂：由于金屬表面硫化物腐蝕過(guò)程中產(chǎn)生的原子氫的吸附，而在高應(yīng)力區(qū)(焊縫和熱影響區(qū))聚集形成的一種開(kāi)裂[3]。

(2) 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂：應(yīng)力腐蝕是金屬材料在腐蝕介質(zhì)和應(yīng)力(主要是拉應(yīng)力)共同作用下產(chǎn)生的一種腐蝕破壞形式。應(yīng)力腐蝕是金屬材料、腐蝕介質(zhì)和應(yīng)力三個(gè)因素相互關(guān)聯(lián)作用的結(jié)果。應(yīng)力腐蝕的表現(xiàn)形態(tài)主要是形成不斷擴(kuò)展的裂紋，是一種在應(yīng)力作用下的局部腐蝕[4]。

(3) 美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)(NACE)認(rèn)為，在存有液相水的情況下，H2S的氣相分壓大于0.000 35 Pa時(shí)，就存在H2S對(duì)設(shè)備的腐蝕和破壞的危險(xiǎn)性。

2.2 裂紋缺陷檢測(cè)過(guò)程

2.2.1 硬度測(cè)定

(1) 將缺陷部位焊縫、熱影響區(qū)、母材區(qū)域機(jī)械打磨，并用砂紙打磨至符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的表面粗糙度。

(2) 在焊縫、熱影響區(qū)和母材部位采用便攜式硬度計(jì)分別測(cè)定五次，取平均值作為各部位的硬度值，各檢測(cè)部位硬度分別為：焊縫255 HB，熱影響區(qū)246 HB，母材180 HB。

2.2.2 磁粉檢測(cè)(交叉磁軛法)

(1) 通過(guò)多次磁粉檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)缺陷處均有磁痕顯示。

(2) 通過(guò)局部目視檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)焊縫處及周圍有打磨痕跡，通過(guò)查閱相關(guān)定期檢驗(yàn)報(bào)告，均未提及曾經(jīng)在檢驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)缺陷并消除的記錄。

(3) 局部機(jī)械打磨，通過(guò)目視檢測(cè)，疑似為焊縫內(nèi)部存在夾渣。

(4) 對(duì)焊縫繼續(xù)打磨，并穿插進(jìn)行磁粉檢測(cè)，直至焊縫原缺陷部位未見(jiàn)缺陷磁痕顯示；在罐體外表面進(jìn)行磁粉檢測(cè)，未見(jiàn)缺陷磁痕顯示，打磨結(jié)束。

2.3 原因分析

(1) 熱處理不當(dāng)導(dǎo)致硬度異常。儲(chǔ)罐主體材料為16MnR鋼，是低合金高強(qiáng)度鋼，焊接裂紋敏感性較強(qiáng)，焊后熱處理是為了細(xì)化組織晶粒，提高焊縫的斷裂韌性，降低焊縫的殘余應(yīng)力。有研究證明[5]，焊接部位和熱影響區(qū)的布氏硬度高于240 N·mm-2時(shí)，材料有開(kāi)裂傾向，硬度的增高說(shuō)明殘余應(yīng)力較大，進(jìn)而說(shuō)明熱處理措施沒(méi)有達(dá)到相關(guān)要求。

(2) 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和資料審查，結(jié)合打磨過(guò)程中缺陷的形態(tài)，判斷出缺陷可能是制造過(guò)程中遺留下來(lái)的。出廠之前，制造過(guò)程中焊縫存在的缺陷并被發(fā)現(xiàn)，經(jīng)制造單位處理后未對(duì)焊縫補(bǔ)焊過(guò)程中造成的夾渣進(jìn)行處理；出廠后，在盛裝液化石油氣的情況下運(yùn)行了近20 a，介質(zhì)中含有濕H2S，同時(shí)存在焊接殘余應(yīng)力，在夾渣的存在下，形成了裂紋。

(3) 濕H2S應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，在開(kāi)罐檢驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，罐體內(nèi)表面有大量銹蝕，殘液含水量較高,介質(zhì)中的H2S含量超過(guò)了規(guī)定范圍。

3 處理方案

3.1 對(duì)裂紋進(jìn)行打磨消除并補(bǔ)焊

(1) 對(duì)缺陷部位先做磁粉檢測(cè)，后做超聲檢測(cè)，確定缺陷位置，用機(jī)械打磨機(jī)做機(jī)械打磨；打磨的同時(shí)進(jìn)行磁粉檢測(cè)，直至缺陷完全消除，磁粉檢測(cè)未見(jiàn)缺陷磁痕顯示。

(2) 打磨完成后對(duì)打磨部位表面進(jìn)行預(yù)處理，然后按照焊接工藝規(guī)程，對(duì)缺陷部位進(jìn)行補(bǔ)焊，最后對(duì)補(bǔ)焊的棱角部分打磨至圓滑過(guò)渡。

(3) 補(bǔ)焊后，釋放應(yīng)力24 h，然后對(duì)補(bǔ)焊位置做磁粉檢測(cè)；在確定沒(méi)有缺陷后對(duì)補(bǔ)焊位置做局部熱處理。

3.2 局部熱處理

(1) 方法：電加熱式局部消除焊接應(yīng)力。

(2) 工藝要點(diǎn)：① 對(duì)返修部位長(zhǎng)度和寬度方向二側(cè)各加50 mm進(jìn)行電加熱;② 局部溫度上升至400 ℃時(shí)，加熱區(qū)的溫度上升速率一般情況下大于55 ℃·h-1，小于220 ℃·h-1，最高加熱到630 ℃;③ 保溫時(shí)，加熱區(qū)域內(nèi)的最低溫度與最高溫度之差不能大于80 ℃，保持恒溫600 ℃的情況要1 h左右;④ 為了防止焊接件表面過(guò)度氧化，加熱區(qū)的空氣在保溫和升溫的過(guò)程中應(yīng)該得到有效地控制;⑤ 電加熱溫度大于400 ℃的情況下，加熱區(qū)溫度下降的速度應(yīng)大于55 ℃·h-1，小于280 ℃·h-1;⑥ 返修部位停止加熱，溫度應(yīng)小于等于400 ℃，然后在空氣中冷卻。3.3 耐壓試驗(yàn)

缺陷處理完畢后，進(jìn)行耐壓試驗(yàn)(試驗(yàn)壓力為2.25 MPa)。試驗(yàn)水為清潔水，環(huán)境溫度為15 ℃，符合特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范的規(guī)定，水壓試驗(yàn)曲線見(jiàn)圖3。(1) 首先用水泵將清潔水注滿，安裝好閥門墊片并隔斷其他無(wú)關(guān)管道的罐體，打開(kāi)壓力表和一個(gè)

圖3 水壓試驗(yàn)曲線示意

安全閥。

(2) 用試壓泵緩慢升壓，壓力表有動(dòng)作后關(guān)閉所有安全閥，升壓至2.25 MPa時(shí)停止升壓，保壓30 min，觀察罐體情況。

(3) 30 min后緩慢泄壓至設(shè)計(jì)壓力1.8 MPa，并保壓30 min，觀察罐體情況。

(4) 保壓30 min后，緩慢降壓至0.1 MPa左右，以便液化石油氣置換。

(5) 試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)異常的響聲，試驗(yàn)后無(wú)滲漏、無(wú)可見(jiàn)的異常變形，說(shuō)明試驗(yàn)成功，壓力容器符合要求，可以投入運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 壓力容器的制造，應(yīng)該嚴(yán)格按照生產(chǎn)工藝進(jìn)行；制造過(guò)程中，需要同時(shí)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)缺陷后要有效、及時(shí)地處理。

(2) 對(duì)焊接壓力容器的焊工要經(jīng)常培訓(xùn)及考核，確保焊接水平能夠達(dá)到要求，焊后熱處理參數(shù)要符合要求。

(3) 使用單位應(yīng)選擇優(yōu)質(zhì)氣源供應(yīng)商，嚴(yán)格控制液化石油氣中H2S含量。

(4) 配合特種設(shè)備檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)認(rèn)真做好容器的定期檢驗(yàn)工作，加強(qiáng)管理，建立齊全的設(shè)備檔案,并做好容器的運(yùn)行記錄。

[1] TSG R0004-2009 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

[2] TSG R7001-2013 壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則[S].

[3] GB/T 30579-2014 承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別[S].

[4] 劉金山.壓力容器檢驗(yàn)員培訓(xùn)教材[M].北京：中國(guó)特檢協(xié)會(huì)，2014.

[5] 黃嗣羅,張建勛，陳宗強(qiáng)，等.濕H2S環(huán)境用16MnR焊接接頭抗氫誘發(fā)裂紋的實(shí)驗(yàn)研究[J].焊接技術(shù)，2004,33(2)：8-10.

Reasons and Treatment of Defects of LPG Storage Tank

LI Peng-fei

(Lu′an Special Equipment Supervision and Inspection Center, Lu′an 237000, China)

At the periodic inspection of a liquefied petroleum gas tank, magnetic testing of the head butt welds gave indications of magnetic marks of multiple defects. The defect areas were ground and supplemented with welding, and heat treatment was undertaken to eliminate stress. Finally, the pressure test was carried out. The defect formation was analyzed and the corresponding treatment measures were formulated.

Crack; Liquefied petroleum gas; Tank; Periodic inspection; Magnetic particle inspection; Heat treatment

2016-08-27

李鵬飛(1989-)，男，本科，助理工程師，主要從事承壓類特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)工作。

李鵬飛，E-mail: 346265152@qq.com。

10.11973/wsjc201703019

TG115.28

B

1000-6656(2017)03-0077-03