07M n NiVDR鋼制丙烯球罐延遲裂紋產(chǎn)生的原因及預(yù)防要點(diǎn)

劉思陽(yáng) 徐同奎

（吉神化學(xué)工業(yè)股份有限公司 吉林 132021）

吉神化學(xué)工業(yè)股份有限公司年產(chǎn)30萬噸環(huán)氧丙烷裝置，是目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)能最大的環(huán)氧丙烷生產(chǎn)裝置。2016年5月，在對(duì)裝置內(nèi)4臺(tái)材質(zhì)為07MnNiVDR的2000m3丙烯球罐（設(shè)備位號(hào)16T001A～D）進(jìn)行首次檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)A罐內(nèi)部表面焊道上有一處長(zhǎng)為25mm深度為4mm的裂紋，另外A/B/C/D四臺(tái)球罐內(nèi)部T字型焊縫表面出現(xiàn)的細(xì)小裂紋共有59處，公司立即組織球罐制造單位、監(jiān)理單位和吉林市特檢中心的專業(yè)人員召開專題會(huì)議，并邀請(qǐng)哈爾濱焊接研究所專家鄭本和教授共同探討裂紋產(chǎn)生的原因和修復(fù)方案，經(jīng)過對(duì)球罐制作及使用過程和裂紋形式的分析，最終得出了可能導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的原因和修復(fù)方法。整個(gè)檢測(cè)和修復(fù)過程歷時(shí)4個(gè)月，造成直接經(jīng)濟(jì)損失600多萬元，因停產(chǎn)導(dǎo)致的間接損失不可估量。鑒于07MnNiVDR是近年來國(guó)內(nèi)大型輕烴類球罐的主要用材，因此，研究該材質(zhì)球罐裂紋的產(chǎn)生原因及預(yù)防措施，無論從使用安全性還是從維護(hù)經(jīng)濟(jì)性方面考慮，都具有十分重要的意義。本文從實(shí)際出發(fā)，記錄了4臺(tái)球罐從制作安裝到裂紋修復(fù)的全過程，找出了一些在施工和使用過程中容易被忽視的管理漏洞，對(duì)今后該材質(zhì)球罐的制作和使用可起到一定的借鑒作用。

1 球罐的制作和使用過程

吉神化學(xué)工業(yè)股份有限公司環(huán)氧丙烷裝置內(nèi)4臺(tái)2000m3丙烯球罐于2012年8～12月相繼制作完成，技術(shù)參數(shù)詳見表1，由于工期較為緊張，施工準(zhǔn)備不足，僅有A罐是在入冬前完成的，B/C/D三個(gè)球罐的制作是在環(huán)境溫度較低（-10℃）的情況下完成的，整體熱處理更是在12月份才完成，環(huán)境溫度將近-20℃，給施工帶來了一定的困難。

表1 球罐技術(shù)參數(shù)

球罐球殼板采用首鋼集團(tuán)生產(chǎn)的07MnNiVDR，鍛件材質(zhì)為08MnNiMoVD，所有材料經(jīng)力學(xué)性能和沖擊試驗(yàn)合格。球罐采用散裝法進(jìn)行組裝，內(nèi)部掛三角形掛架，中心搭設(shè)內(nèi)腳手架，坡口對(duì)口間隙滿足2±2mm，對(duì)口錯(cuò)邊量≤2mm，棱角度≤5mm，徑向和周向支柱垂直度偏差≤15mm，整體滿足GB 50094—2010 要求[1]。

球殼板及其焊件的焊接均采用大西洋CHE607RH焊條，其他部位采用CHE507RH焊條焊接，焊條全部經(jīng)過GB/T 3965—2012進(jìn)行擴(kuò)散氫復(fù)驗(yàn)[2]。焊條使用前經(jīng)350～400℃烘干1～2h，然后置于100～150℃恒溫箱內(nèi)，焊接過程按照NB/T 47015—2011規(guī)程施焊[3]，焊前預(yù)熱溫度為125℃，環(huán)境溫度低于-8℃時(shí)，預(yù)熱溫度提高至150℃，層間溫度為125～200℃，焊接電流和線能量詳見表2，焊縫焊后立即進(jìn)行后熱消氫處理，溫度為200～250℃，恒溫1h。

表2 焊接電流和線能量范圍

焊接完成后，由吉林市特種設(shè)備檢驗(yàn)中心按照J(rèn)B/T 4730.1～6—2005規(guī)范對(duì)焊縫進(jìn)行滲透、磁粉、超聲、射線四項(xiàng)無損檢測(cè)[4]，一次檢測(cè)合格率較高，每個(gè)球罐均有缺陷5～10處不等，主要為氣孔和夾渣，焊縫表面未發(fā)現(xiàn)裂紋。所有缺陷按照GB 50094—2010和GB 12337—1998中規(guī)定方法進(jìn)行清除和修補(bǔ)，修補(bǔ)后經(jīng)無損檢測(cè)合格[5]。

焊后整體熱處理溫度為620℃，恒溫時(shí)間2.5h，熱處理前將球罐外表面進(jìn)行保溫處理，當(dāng)溫度達(dá)到400℃以上時(shí)升溫速度控制在50～80℃/h，當(dāng)時(shí)因環(huán)境溫度已達(dá)到-20℃以下，有2次熱處理因加熱溫度達(dá)不到預(yù)定值而被迫中止。4個(gè)球罐全部完成熱處理后已經(jīng)12月中旬，此后施工隊(duì)便全部撤回，并未對(duì)球罐焊縫進(jìn)行任何打磨和檢測(cè)。

球罐的水壓和氣密性試驗(yàn)于2013年5月完成，水壓試驗(yàn)后經(jīng)磁粉檢測(cè)合格，表面除銹涂漆和保溫工作于同年7月完成。4臺(tái)球罐于2013年10月投入使用至2016年3月停用期間，嚴(yán)格按照公司安全操作規(guī)程操作，無任何超溫超壓記錄，安全閥按規(guī)定定期檢測(cè)，丙烯的供貨商比較穩(wěn)定，冬季偶爾因交通運(yùn)輸不便時(shí)在一些小型企業(yè)購(gòu)買，對(duì)丙烯的質(zhì)檢控制以賣方提供的質(zhì)檢報(bào)告為準(zhǔn)，并無自檢手段。

2 球罐檢測(cè)過程及修復(fù)

2016年5月，吉林市特種設(shè)備檢驗(yàn)中心對(duì)裝置內(nèi)4臺(tái)球罐進(jìn)行首次檢驗(yàn)，根據(jù)TSG R7001—2013規(guī)定，此次檢驗(yàn)以宏觀檢驗(yàn)、壁厚測(cè)定及表面缺陷檢測(cè)內(nèi)容為主[6]。

2.1 外觀和幾何尺寸檢驗(yàn)

4臺(tái)球罐表面腐蝕均勻，主要受壓元件完好，無泄漏、變形、鼓包和機(jī)械損傷，基礎(chǔ)及支座無明顯下沉及傾斜，法蘭密封及螺栓緊固件完好，排放裝置和安全附件完好。錯(cuò)邊量均≤3mm，棱角度均≤10mm，焊縫余高0～3mm，罐體壁厚均在44.6～46mm范圍內(nèi)，無任何異常。

2.2 磁粉檢測(cè)

首先對(duì)4臺(tái)球罐內(nèi)表面焊縫進(jìn)行20%磁粉檢測(cè)，重點(diǎn)檢查部位為T字對(duì)接焊縫。經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)A罐下溫帶與下寒帶附近T字焊縫熔合線處有一處長(zhǎng)度為18mm，深度為4mm的橫向裂紋，見圖1。A/B/C/D/罐均在對(duì)接焊縫上發(fā)現(xiàn)表面裂紋59處，見圖2。發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象后，特檢中心立即要求對(duì)罐內(nèi)壁焊縫進(jìn)行100%磁粉檢測(cè)，另外對(duì)球罐外壁焊縫進(jìn)行20%MT抽檢，結(jié)果在球罐外壁焊縫表面也同樣出現(xiàn)多處裂紋。

圖1 A罐熱影響區(qū)裂紋

圖2 焊縫表面裂紋

2.3 裂紋形式分析

由于在球罐的制作過程中并未發(fā)現(xiàn)裂紋，應(yīng)該是在使用一段時(shí)間以后才出現(xiàn)的，故此判斷這種裂紋應(yīng)屬于延遲裂紋。

延遲裂紋屬于冷裂紋，一般在焊后的某一段時(shí)間才出現(xiàn)。當(dāng)焊接冷卻速度過快，熱影響區(qū)便會(huì)產(chǎn)生淬硬組織，在焊接應(yīng)力的作用下即會(huì)產(chǎn)生冷裂紋，焊縫和熱影響區(qū)中擴(kuò)散氫富集在淬硬區(qū)域，后經(jīng)應(yīng)力誘導(dǎo)，便形成了延遲裂紋。

07MnNiVDR雖然對(duì)冷裂紋不敏感，正常焊接時(shí)不易產(chǎn)生冷裂紋，但在冬季施工由于焊接接頭冷卻速度加快，容易產(chǎn)生淬硬組織，從而導(dǎo)致冷裂紋傾向增大，加之其本身就是再熱敏感性材料，故在施工過程中最易產(chǎn)生冷裂紋和再熱裂紋[7]。

2.4 修復(fù)過程

對(duì)于球罐內(nèi)外焊縫表面的細(xì)小裂紋，采用打磨的方式消除裂紋，內(nèi)表面焊縫余高為0～1mm，外表面焊縫余高為0～0.5mm，且不低于母材。對(duì)于A罐的縱向裂紋，由于深度超過2mm，需要進(jìn)行補(bǔ)焊。首先將裂紋打磨，直至裂紋全部消除，然后對(duì)凹坑進(jìn)行預(yù)熱，由經(jīng)驗(yàn)豐富的焊工進(jìn)行補(bǔ)焊，焊后將余高打磨至與母材平齊，經(jīng)磁粉檢測(cè)合格后，進(jìn)行局部熱處理。所有焊縫裂紋經(jīng)修復(fù)后檢測(cè)合格。

2.5 復(fù)檢

4臺(tái)球罐裂紋修復(fù)后經(jīng)使用1年，于2017年10月進(jìn)行復(fù)檢，復(fù)檢采用磁粉抽檢方式進(jìn)行，未發(fā)現(xiàn)任何裂紋。

3 裂紋成因分析

從客觀原因來看，延遲裂紋的產(chǎn)生須具備三個(gè)要素：1）淬硬組織的產(chǎn)生；2）殘余焊接應(yīng)力；3）富集的擴(kuò)散氫，三者缺一不可。

從主觀原因來講，不能排除兩個(gè)人為因素：1）在球罐制作過程中未按照相關(guān)規(guī)范要求施工，為裂紋的產(chǎn)生留下了隱患；2）預(yù)防和檢測(cè)措施沒有落實(shí)到位，未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并遏止隱患的延續(xù)。

本文從人為因素方向入手，闡述了延遲裂紋三要素的產(chǎn)生原因。

3.1 在球罐制作過程中未按照相關(guān)規(guī)范要求施工

●3.1.1 低溫焊接導(dǎo)致淬硬組織的產(chǎn)生

GB 12337—2014《鋼制球形儲(chǔ)罐》中規(guī)定，焊件溫度低于-20℃時(shí)，若無有效防護(hù)措施，禁止施焊；同時(shí)設(shè)計(jì)院給出的技術(shù)要求中也明確規(guī)定，環(huán)境溫度低于-5℃時(shí)禁止施焊。之所以這樣要求，是因?yàn)榈蜏睾附釉黾恿撕附訒r(shí)母材與熱影響區(qū)之間的溫度梯度，使得熱影響區(qū)的冷卻速度變快，會(huì)導(dǎo)致焊縫和熱影響區(qū)產(chǎn)生淬硬的馬氏體和拘束應(yīng)力，嚴(yán)重降低了焊接接頭的質(zhì)量。但在施工期間，由于工期緊張，球罐制作的大部分時(shí)間是在入冬后進(jìn)行的，環(huán)境溫度維持在-20℃左右，不宜于焊接，現(xiàn)場(chǎng)雖要求對(duì)焊件進(jìn)行焊前預(yù)熱，且做了一些保溫措施，但實(shí)際施工過程中，往往很難保證每一道工序都嚴(yán)格按照要求進(jìn)行，這就為裂紋的產(chǎn)生留下了隱患。

●3.1.2 焊接順序不符合要求導(dǎo)致焊接應(yīng)力過大

NB/T 47015—2011中規(guī)定，球罐焊接時(shí)要對(duì)稱施焊，各焊工的焊接速度應(yīng)力力求一致，施焊順序應(yīng)為先焊縱縫，后焊環(huán)縫，外部所有焊縫全部焊完后，內(nèi)部清根并經(jīng)滲透檢測(cè)合格后再焊內(nèi)部焊縫，極板的縱焊縫從中間向兩邊施焊，這樣做是為了有效地減少焊接變形和殘余應(yīng)力。而施工過程中為了確保竣工時(shí)間，現(xiàn)場(chǎng)同一球罐同時(shí)作業(yè)的焊工過多，橫縱焊縫同時(shí)施焊，一條焊縫由幾人同時(shí)施焊，這就使得球罐局部焊接應(yīng)力過大，這些應(yīng)力集中的區(qū)域，也是最容易產(chǎn)生裂紋的區(qū)域，如果處理不當(dāng)，一旦達(dá)到開裂條件就會(huì)首先產(chǎn)生裂紋。

●3.1.3 焊后整體熱處理溫度過高易產(chǎn)生再熱裂紋

GB 12337—2014中規(guī)定，07MnNiVDR的焊后整體熱處理溫度應(yīng)為570±20℃，設(shè)計(jì)院技術(shù)條件中要求恒溫時(shí)間為2.5h。而因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度過低，實(shí)際整體熱處理溫度為620℃。有研究表明，07MnNiVDR具有再熱裂紋傾向，并且從插銷再熱敏感裂紋性試驗(yàn)結(jié)果中得知，其再熱敏感溫度為600℃左右，此溫度下的臨界斷裂應(yīng)力最低，最容易產(chǎn)生再熱裂紋。所以，對(duì)于再熱敏感性材料來說，在環(huán)境溫度過低的情況下隨意地提高整體熱處理溫度，有可能達(dá)到其再熱敏感溫度，雖然不能直接導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，但卻增加了產(chǎn)生再熱裂紋的概率[8]。

3.2 預(yù)防和檢測(cè)措施落實(shí)不到位

●3.2.1 焊前預(yù)熱不符合要求導(dǎo)致焊接應(yīng)力增大

GB 12337—2014中規(guī)定當(dāng)焊件溫度低于0℃但不低于-20℃時(shí)，應(yīng)在施焊處100mm范圍內(nèi)預(yù)熱到15℃以上，預(yù)熱溫度為100～125℃。焊前預(yù)熱不僅可以減少焊接區(qū)域與被焊工件的溫差，降低焊接應(yīng)力，還能夠有效地降低焊接結(jié)構(gòu)的拘束度，降低裂紋發(fā)生的概率。但因施工條件受限，以及施工人員人為因素等多方面原因，在實(shí)際施工過程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生預(yù)熱溫度不夠、預(yù)熱不均勻、甚至沒有預(yù)熱的情況，這樣不但不會(huì)起到應(yīng)有的作用，反而會(huì)出現(xiàn)增大焊接應(yīng)力的情況。

●3.2.2 后熱消氫處理不符合要求導(dǎo)致氫富集

GB 12337—2014中規(guī)定焊接接頭厚度大于38mm的低合金鋼球殼對(duì)接焊縫，焊后須立即進(jìn)行后熱消氫處理，后熱溫度為200～250℃，時(shí)間0.5～1h。焊后消氫處理是為了加快焊縫及熱影響區(qū)中氫的逸處，同時(shí)消除局部焊接應(yīng)力，改善焊接接頭的綜合力學(xué)性能，是防止低合金鋼容器產(chǎn)生延遲裂紋最有效的措施。但由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件限制，施工單位在焊后消氫處理過程中往往很難達(dá)到規(guī)范要求的溫度和時(shí)間，甚至有些單位為節(jié)省成本，取消了后熱消氫處理，用整體熱處理代替后熱消氫處理，這是明顯的偷換概念，這樣不僅沒有消除焊縫表面游離的氫原子，同樣還會(huì)使焊縫金屬的塑性降低，脆性增加，增大了產(chǎn)生延遲裂紋的可能性[9]。

●3.2.3 整體熱處理前沒有進(jìn)行焊縫打磨和磁粉檢測(cè)，未消除焊縫應(yīng)力集中

GB 12337—2014中規(guī)定，焊縫表面不得有表面裂紋、未焊透、未熔合、表面氣孔、弧坑、未填滿、夾渣和飛濺物，焊縫與母材應(yīng)圓滑過渡，角焊縫的外形應(yīng)凹形圓滑過渡；有延遲裂紋或再熱裂紋傾向的鋼材，在整體熱處理前應(yīng)進(jìn)行100%表面檢測(cè)。同時(shí)，設(shè)計(jì)院給出的技術(shù)條件中也要求，焊縫焊接完畢的全部焊縫表面須采用砂輪打磨消除焊波。這樣做的目的是為了去除焊縫表面硬化層，消除焊縫兩側(cè)熔合線處的應(yīng)力集中，同時(shí)可以提高磁粉探傷的靈敏度。但在球罐進(jìn)行整體熱處理前，施工單位并未對(duì)焊縫表面進(jìn)行任何處理，也未對(duì)焊縫進(jìn)行磁粉檢測(cè)。然而，在球罐檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)裂紋就是出現(xiàn)在焊縫表面的焊道間，修復(fù)的方法也是通過打磨去除，如果在施工過程中就將焊縫處理好，并經(jīng)檢測(cè)確認(rèn)，就會(huì)有效地預(yù)防表面裂紋的產(chǎn)生，避免很多不必要的麻煩和損失。

●3.2.4 丙烯中硫化氫超標(biāo)導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕

在設(shè)計(jì)院給出的圖紙中明確標(biāo)注了介質(zhì)的硫化氫含量應(yīng)小于1mg/kg，這是因?yàn)榱蚧瘹涑瑯?biāo)會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕[10]，應(yīng)力腐蝕幾乎全部集中在焊接過熱區(qū)等殘余應(yīng)力較大的區(qū)域，當(dāng)氫原子達(dá)到一定濃度并符合開裂條件的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生裂紋。在發(fā)現(xiàn)球罐裂紋后，公司質(zhì)檢部門立即對(duì)部分運(yùn)輸丙烯的罐車進(jìn)行硫含量分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)確實(shí)存在硫化氫超標(biāo)的現(xiàn)象，究其原因是因?yàn)檫@些罐車在裝卸完其他含硫物料后，沒有及時(shí)將罐內(nèi)殘余的物料進(jìn)行清理，導(dǎo)致含硫物料直接與新鮮丙烯混合，進(jìn)入球罐中，而筆者公司又缺乏相應(yīng)的檢測(cè)手段，沒有在物料進(jìn)廠后施行嚴(yán)格的質(zhì)量管控，最終導(dǎo)致了丙烯中硫含量超標(biāo)。

4 預(yù)防措施和質(zhì)量過程控制要點(diǎn)

4.1 技術(shù)措施

●4.1.1 低溫焊接時(shí)適當(dāng)提高預(yù)熱溫度

鑒于低溫焊接對(duì)焊接接頭質(zhì)量存在影響，應(yīng)盡量避免在低于-5%環(huán)境下進(jìn)行焊接，如果必須進(jìn)行焊接，則應(yīng)適當(dāng)?shù)奶岣哳A(yù)熱溫度，但不能高于200℃，預(yù)熱范圍為板材厚度的1.5倍，且不小于100mm，并在焊接時(shí)嚴(yán)格控制線能量，使鋼板原材料的熱處理效果不受損傷。

●4.1.2 雙面后熱

為防止熱影響區(qū)的冷卻速度過快，除了在現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)好防風(fēng)設(shè)施外，在必要時(shí)可采用雙面后熱，并增加測(cè)溫點(diǎn)的數(shù)量和采點(diǎn)頻率，在焊縫的兩側(cè)2～3倍板厚的范圍內(nèi)增加保溫措施，使其冷卻速度不大于10℃/min。

●4.1.3 增加回火焊道

為防止蓋面焊道上出現(xiàn)裂紋以及產(chǎn)生淬硬組織，可在蓋面焊道上加焊一層回火焊道，在焊后對(duì)回火焊道進(jìn)行打磨，使球殼外表面焊縫余高≤1mm，內(nèi)表面焊縫余高≤0.5mm，且不低于母材，對(duì)接焊縫和角焊縫與母材應(yīng)圓滑過渡。

4.2 質(zhì)量過程控制要點(diǎn)

●4.2.1 控制焊接順序

焊接是球罐制造過程中最重要的環(huán)節(jié)，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常出現(xiàn)“搶進(jìn)度”的情況，不控制人數(shù)和焊接順序。在實(shí)際管理中除了嚴(yán)格按照焊接工藝施焊外，還應(yīng)嚴(yán)格按照施焊順序進(jìn)行施焊，同時(shí)作業(yè)的焊工人數(shù)不宜過多，保證每條焊縫連續(xù)作業(yè)，不應(yīng)多人同時(shí)焊一條焊縫，保證焊接質(zhì)量。

●4.2.2 必須做好焊前預(yù)熱和后熱消氫處理

焊前預(yù)熱和后熱消氫處理是改善接頭質(zhì)量、消除局部應(yīng)力和防止氫富集的最有效的措施。現(xiàn)場(chǎng)施工過程中由于實(shí)施困難，消耗成本較高，施工單位往往在此環(huán)節(jié)“偷工減料”和“偷換概念”。在實(shí)際管理過程中，焊前預(yù)熱和后熱消氫處理必須要達(dá)到要求的溫度和時(shí)間，且不能用整體熱處理代替后熱消氫處理。

●4.2.3 控制熱處理溫度

對(duì)于具有再熱裂紋傾向的材料，要按照相應(yīng)規(guī)范的要求確定整體熱處理工藝，嚴(yán)格控制熱處理溫度，禁止超過該材料的熱敏感溫度。

●4.2.4 焊縫打磨和無損檢測(cè)

在球罐制作過程中，有些施工單位為節(jié)約成本，只對(duì)部分關(guān)鍵位置進(jìn)行打磨和檢測(cè)，并未按要求對(duì)所有焊縫進(jìn)行100%打磨和檢測(cè)。對(duì)于再熱敏感性材料，整體熱處理和水壓試驗(yàn)后必須分別進(jìn)行100%MT檢測(cè)，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理再熱裂紋。

●4.2.5 控制硫化氫含量

使用單位應(yīng)配備硫含量分析設(shè)備，定期對(duì)罐車進(jìn)行取樣分析，嚴(yán)格控制介質(zhì)中硫化氫含量和水含量，避免產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。

5 結(jié)論

通過對(duì)球罐的制作和使用過程的分析，得出了最有可能使球罐產(chǎn)生延遲裂紋的幾個(gè)原因，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施和管理要點(diǎn)。在實(shí)際制作和生產(chǎn)過程中，完全可以通過有效的技術(shù)措施和管理手段避免施工帶來的隱患。施工單位應(yīng)嚴(yán)格按照國(guó)家規(guī)范和設(shè)計(jì)院給出的技術(shù)要求進(jìn)行施工，不應(yīng)為節(jié)省成本而隨意省略程序，建設(shè)單位和監(jiān)理單位應(yīng)做好質(zhì)量過程控制，不能一味追求進(jìn)度而忽略質(zhì)量，只有在建設(shè)過程中把好質(zhì)量關(guān)，才是最大程度的節(jié)約成本。

參考文獻(xiàn)

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