氨制冷壓力容器封頭直邊開裂原因分析

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(1.臺州龍江化工機(jī)械科技有限公司,浙江溫嶺 317500;2.臺州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心,浙江臺州 318000)

0 引言

在大中型冷鏈物流建設(shè)過程中，氨制冷劑因具有單位質(zhì)量制冷量大、常溫下冷凝壓力適中、天然環(huán)保、廉價(jià)易得等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[1]。氨制冷系統(tǒng)中的壓力容器承擔(dān)著氨制冷劑的貯存、分離等功能，它的安全直接影響制冷系統(tǒng)的正常運(yùn)行以及人員和財(cái)產(chǎn)安全。近年來，頻繁發(fā)生因氨制冷壓力容器封頭失效而導(dǎo)致液氨泄漏的事故，封頭發(fā)生失效的部位無一例外都出現(xiàn)在直邊部位。經(jīng)調(diào)查，多家壓力容器制造單位生產(chǎn)的氨制冷壓力容器均發(fā)生過多起封頭直邊失效的事故，發(fā)生失效的封頭來源于多家封頭制造單位，并且氨制冷容器的使用地范圍很廣。

液氨環(huán)境下的壓力容器開裂失效，多數(shù)歸結(jié)于液氨應(yīng)力腐蝕失效。國內(nèi)液氨應(yīng)力腐蝕的研究報(bào)道較多[2-4]，報(bào)道指出液氨應(yīng)力腐蝕的必要條件是介質(zhì)為液態(tài)氨，含水量不大于0.2%，且受空氣污染；使用溫度高于-5 ℃。還有專門針對氨制冷壓力容器應(yīng)力腐蝕的研究[5-6]，表明Q235-C,20R,Q345R在液氨中沒有明顯的應(yīng)力腐蝕傾向，但Q235-C,20R更適合制造氨制冷壓力容器。對于氨制冷壓力容器封頭直邊開裂失效，國內(nèi)未見相關(guān)報(bào)道。

1993年以來，我國的氨制冷壓力容器一直按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《制冷裝置用壓力容器》進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造，歷經(jīng)20多年的發(fā)展，雖然標(biāo)準(zhǔn)也經(jīng)過多次修訂，但在設(shè)計(jì)、制造技術(shù)要求方面并無較大變化[7]。在20世紀(jì)60年代，全國的制冷壓力容器制造單位廣泛使用A3鋼，沒有反映發(fā)生氨制冷壓力容器應(yīng)力腐蝕開裂事故。20世紀(jì)80年代后期，A3鋼使用受到限制，氨制冷系統(tǒng)壓力容器普遍采用16MnR鋼板制造，使用過程中發(fā)現(xiàn)大量的貯氨器、冷凝器、油分離器發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。1993年后，開始限制使用16MnR材料制造氨制冷壓力容器，若使用16MnR制造氨冷凝器和貯氨器，則必須經(jīng)過整體消除應(yīng)力熱處理[8]。

1 氨制冷壓力容器的服役環(huán)境

根據(jù)不同的供液方式，常見的制冷系統(tǒng)有氨泵供液和重力供液。氨泵供液制冷工藝流程如圖1所示。

低溫低壓的飽和氨氣被壓縮機(jī)低壓級吸走并被壓縮成高溫過熱的氨氣進(jìn)入中間冷卻器，中間壓力下的低溫飽和氨液與高溫氨氣混合，高溫氨氣被冷卻到中間壓力，氨液在中間壓力下部分汽化后被壓縮機(jī)高壓級吸走進(jìn)行二次壓縮；二次壓縮后的高溫高壓過熱氨氣進(jìn)入氨油分離器，在氨油分離器中進(jìn)行油氣分離后在冷凝器中冷凝成常溫高壓的飽和液氨。常溫高壓的飽和液氨貯存在貯氨器中，氨液從貯氨器出來后分兩路，一路經(jīng)節(jié)流膨脹成中間壓力下的低溫飽和氨液進(jìn)入中間冷卻器，為冷卻低壓高溫氨氣和冷卻盤管內(nèi)的常溫氨液提供冷量；另一路進(jìn)入中間冷卻器盤管內(nèi)被過冷，然后流經(jīng)節(jié)流元件，節(jié)流膨脹后的低溫低壓飽和液氨，進(jìn)入低壓循環(huán)桶后液氨被氨泵輸送到蒸發(fā)器中。低溫低壓的飽和液氨在蒸發(fā)器中吸收載冷劑的熱量后汽化，成為低溫低壓的飽和氨氣，飽和氨氣攜帶部分氨液進(jìn)入低壓循環(huán)桶內(nèi)進(jìn)行氣液分離，低溫低壓的干飽和氨氣被壓縮機(jī)吸走進(jìn)入下一次壓縮循環(huán)，分離下來的氨液與節(jié)流元件補(bǔ)充的氨液再次經(jīng)氨泵輸送到蒸發(fā)器中，不斷為蒸發(fā)器提供冷量。

由于氨泵供液制冷系統(tǒng)沒有安裝位置的限制，近年來新建的制冷系統(tǒng)絕大多數(shù)采用氨泵供液。

重力供液系統(tǒng)如圖2所示，與氨泵供液系統(tǒng)的不同之處在于蒸發(fā)器中所需氨液是依靠氨液分離器與蒸發(fā)器的位差所形成的勢能為蒸發(fā)器供液，不需要氨泵提供機(jī)械能，其他與氨泵供液制冷系統(tǒng)完全相同。

圖2 重力供液制冷工藝流程

2 失效的典型氨制冷壓力容器

近年來頻繁發(fā)現(xiàn)失效的氨制冷壓力容器，以貯氨器、中間冷卻器、低壓循環(huán)桶居多，失效位置全部出現(xiàn)在封頭直邊上，且中間冷卻器、低壓循環(huán)桶一律是下封頭失效。貯氨器、中間冷卻器、低壓循環(huán)桶的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖3。

貯氨器中貯存的為常溫高壓飽和氨液，其最大充裝量一般不超過80%，上部為氣相空間，液位高度隨制冷系統(tǒng)的液氨用量大小而波動，通常貯氨器頂部設(shè)有放空口以排放上部空間的空氣；立式低壓循環(huán)桶中貯存的為低溫低壓飽和氨液，其最大充裝量一般不超過70%，最小不低于30%，上部為氣相空間，液位高度也隨制冷系統(tǒng)的液氨用量而波動，工作狀態(tài)下的內(nèi)部壓力約為-0.03～0.1 MPa；中間冷卻器中貯存的為中間壓力下的低溫飽和氨液，其最大充裝量一般不超過50%，最小不低于30%，上部為氣相空間，正常工作狀態(tài)下，其液位稍有波動，工作狀態(tài)下的內(nèi)部壓力約為0.1～0.2 MPa。

表1 典型氨制冷壓力容器設(shè)計(jì)參數(shù)

(a)貯氨器

3 失效封頭的檢測

3.1 失效部位宏觀形貌

根據(jù)筆者2011年以后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，共發(fā)現(xiàn)19臺貯氨器封頭開裂、11臺中間冷卻器下封頭開裂、5臺立式低壓循環(huán)桶下封頭開裂、2臺氨油分離器下封頭開裂。根據(jù)現(xiàn)場勘查結(jié)果，貯氨器有的一端封頭開裂，有的兩端封頭開裂；在容器的頂部、中部及底部都發(fā)現(xiàn)裂紋，但以中上部居多。圖4(a)為某臺貯氨器封頭開裂后外觀圖片，可以看出已經(jīng)內(nèi)外貫穿的裂紋較多，且都在封頭的直邊上。圖4(b)～(d)為割下封頭后的內(nèi)部裂紋圖片，可以看出所有的裂紋都起源于環(huán)焊縫的熔合線邊緣，沿著封頭徑向擴(kuò)展，伴有樹枝狀分支，且裂紋是從封頭內(nèi)表面向外表面擴(kuò)展。

已發(fā)現(xiàn)的中間冷卻器和立式低壓循環(huán)桶上開裂的封頭都是容器的下封頭。圖5(a)為某臺中間冷卻器下封頭開裂后的外觀圖片，可以看出該封頭已有5處發(fā)生泄漏，泄漏處目測成點(diǎn)狀，所有的泄漏點(diǎn)都在封頭環(huán)焊縫的熔合線邊緣。泄漏部位用粗砂輪打磨掉一層、再用細(xì)砂輪打磨后的宏觀形貌見圖5(b)，可以看出，原泄漏部位存在10余條裂紋，且裂紋從內(nèi)表面向外表面沿著封頭徑向擴(kuò)展。

(a)

(b)

(c)

(a)

3.2 材料復(fù)驗(yàn)

為判斷封頭所用材料是否符合設(shè)計(jì)要求，對貯氨器和中間冷卻器失效的封頭進(jìn)行了化學(xué)成分和力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)，力學(xué)性能試樣的取樣位置為封頭球殼部位，化學(xué)成分復(fù)驗(yàn)結(jié)果見表2，力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)結(jié)果見表3?？梢钥闯?，中間冷卻器和貯氨器開裂的封頭材料化學(xué)成分、力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)結(jié)果與材料出廠值基本相同，且符合GB/T 713—2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》的要求，但抗拉強(qiáng)度的實(shí)測值都比材料出廠值偏高、延伸率的實(shí)測值都比出廠值偏低，且實(shí)測抗拉強(qiáng)度值接近GB/T 713—2008標(biāo)準(zhǔn)值的上限。

表2 封頭材料化學(xué)成分復(fù)驗(yàn)結(jié)果 %

表3 封頭材料力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)結(jié)果

3.3 表面硬度檢測

對失效的中間冷卻器和貯氨器的封頭進(jìn)行了內(nèi)、外表面的硬度檢測，檢測點(diǎn)為0°～180°和90°～270°母線上的直邊、過渡段、球殼，每條母線上檢測6個(gè)點(diǎn)，每個(gè)封頭共檢測12個(gè)點(diǎn)，檢測設(shè)備為TH110里氏硬度計(jì)，檢測結(jié)果見表4。從檢測結(jié)果來看，封頭直邊、過渡段的硬度明顯高于球殼部位，內(nèi)外表面的硬度沒有明顯差異。

表4 封頭表面硬度(HV)檢測結(jié)果

4 開裂原因分析

4.1 封頭加工過程的應(yīng)力狀態(tài)

制冷壓力容器封頭的規(guī)格尺寸普遍較小，常用的加工方法有冷沖壓和熱沖壓。板料沖壓屬于拉伸過程，是彈性變形向塑性變形轉(zhuǎn)變的過程，在沖壓過程中封頭各部位的塑性變形不同，應(yīng)力狀態(tài)也各不相同。如圖6所示，封頭沖壓過程中，板料邊緣由于受到?jīng)_頭向下的壓力而承受徑向拉伸應(yīng)力σr，在與徑向拉伸應(yīng)力垂直作用的方向上產(chǎn)生切向壓應(yīng)力στ，以及厚度方向上壓應(yīng)力σz。在圓弧過渡部位，受到徑向拉伸應(yīng)力和切向壓縮應(yīng)力的同時(shí)，還受彎曲而產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。沖壓過程中的最大應(yīng)力發(fā)生在板料完全包裹下模的圓角時(shí)，即沖頭的直邊進(jìn)入下模圓角的起點(diǎn)處，也就是沖壓完成后的封頭直邊部位[9]。封頭的熱沖壓是板料在全塑性狀態(tài)下進(jìn)行的，封頭外壁底部隨球冠逐漸增大，在過渡段出現(xiàn)少許回落，在封頭直邊段迅速增大，直邊段出現(xiàn)應(yīng)力最大值[10]。

圖6 封頭沖壓應(yīng)力狀態(tài)

4.2 消除加工殘余應(yīng)力

封頭在冷沖壓成形后，其過渡段和直邊因產(chǎn)生過大的形變而存在嚴(yán)重的冷作硬化和殘余應(yīng)力，按照GB/T 25198—2010《壓力容器封頭》[11]的規(guī)定，凸形封頭應(yīng)于冷成形后進(jìn)行熱處理。封頭在沖壓過程中，各個(gè)晶粒沿著板料的拉伸方向伸長或破碎形成纖維狀，變形程度很大時(shí)，在破碎和拉長的晶粒內(nèi)部出現(xiàn)許多極細(xì)小的碎塊，金屬中存在彈性畸變和內(nèi)應(yīng)力。因此，冷壓封頭須經(jīng)再結(jié)晶退火處理，使封頭材料發(fā)生再結(jié)晶，從而消除冷作硬化及金屬內(nèi)部殘余應(yīng)力，提高金屬韌性。再結(jié)晶溫度與金屬材料的合金成分和冷塑性變形量有關(guān)，變形量為6%～10%時(shí)，再結(jié)晶溫度隨變形量增加而降低，到一定值時(shí)不再變化，一般鋼材的再結(jié)晶退火溫度為650～700 ℃[12]，保溫1～3 h。退火溫度太高，晶粒會明顯長大；退火溫度過低，再結(jié)晶不完全，晶粒大小不均勻。

封頭加工單位在進(jìn)行冷加工封頭的熱處理時(shí)，通常采用的熱處理溫度為600～640 ℃，保溫1 h。根據(jù)NB/T 47015—2011《壓力容器焊接規(guī)程》[13]的規(guī)定，碳素鋼與低合金鋼消除殘余應(yīng)力熱處理的最低保溫溫度為600 ℃，保溫時(shí)間為鋼板厚度δn/25，且不少于15 min。顯然冷壓封頭的熱處理保溫時(shí)間能滿足再結(jié)晶退火和消除殘余應(yīng)力退火的要求，但是熱處理溫度偏低。

熱沖壓封頭的終壓溫度能保證在750 ℃以上，高于再結(jié)晶退火溫度，不需要另外進(jìn)行退火處理。熱沖壓封頭成形后，如果直徑存在較大偏差或不能滿足訂貨要求時(shí)，常常會用旋壓機(jī)對直邊或者過渡段和直邊一起進(jìn)行修整，這樣就在熱沖壓成形的封頭直邊部位產(chǎn)生了新的冷作硬化和殘余應(yīng)力。

4.3 組裝、焊接殘余應(yīng)力

容器制造過程中，若筒體與封頭組對時(shí)存在錯(cuò)邊，也會在焊縫及附近區(qū)域產(chǎn)生殘余應(yīng)力[14-15]。封頭與筒體的環(huán)焊縫焊接材料的匹配情況對焊縫熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力具有較大影響，蔣文春等[16]基于熱彈塑性有限元法，針對Q345R焊縫強(qiáng)度不匹配對殘余應(yīng)力的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明焊縫屈服強(qiáng)度與母材相同時(shí)，焊縫殘余應(yīng)力高達(dá)屈服強(qiáng)度；當(dāng)焊縫屈服強(qiáng)度高于母材時(shí)，焊縫殘余應(yīng)力高達(dá)屈服強(qiáng)度，熱影響區(qū)殘余應(yīng)力高于母材屈服強(qiáng)度。隨著焊縫強(qiáng)度增加，焊縫熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力增加。焊縫余高的存在會在焊縫與母材的過渡處即焊趾部位產(chǎn)生應(yīng)力集中[17-18]，還有焊接時(shí)由于溫差作用也會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

4.4 應(yīng)力腐蝕環(huán)境

HG/T 20581—2011《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》[19]中規(guī)定液氨應(yīng)力腐蝕環(huán)境為：介質(zhì)為液氨，含水量≤0.2%，且可能受到空氣(O2或CO2)的污染；使用溫度高于-5 ℃。

從表1可以看出，貯氨器、中間冷卻器、低壓循環(huán)桶正常運(yùn)行時(shí)，其內(nèi)部均盛裝有液氨。根據(jù)文獻(xiàn)[7]的規(guī)定，氨制冷壓力容器用液氨的含氨量應(yīng)大于99.995%或含氨量應(yīng)不小于99.6%，且含水量應(yīng)大于0.2%。氨制冷系統(tǒng)中的液氨不可避免地會受到氧氣的污染，主要是制冷系統(tǒng)在使用前或維修后，沒有徹底抽真空；系統(tǒng)中充注液氨時(shí)帶入空氣；液氨中溶解了空氣；金屬材料的腐蝕產(chǎn)物(鐵銹)分解出的氣體；低壓系統(tǒng)在負(fù)壓下運(yùn)行時(shí)，通過密封不嚴(yán)密處(如軸封、法蘭密封面等)滲入空氣。低壓系統(tǒng)因密封不嚴(yán)密而滲進(jìn)空氣后，空氣會與氨氣一起被制冷壓縮機(jī)吸入、壓縮后排至高壓系統(tǒng)，由于高壓貯液器具有液封作用，空氣很難再進(jìn)入低壓系統(tǒng)。所以制冷系統(tǒng)中的空氣主要積聚在氨冷凝器和貯氨器中。

貯氨器的使用溫度通常都高于-5 ℃；中間冷卻器和低壓循環(huán)桶在正常運(yùn)行時(shí)的使用溫度通常都低于-5 ℃，但是制冷系統(tǒng)長時(shí)間停止運(yùn)行后，由于庫溫回升，會出現(xiàn)中間冷卻器或低壓循環(huán)桶內(nèi)溫度高于-5 ℃的情況。

5 失效分析的結(jié)論

制冷系統(tǒng)的液氨受到空氣污染，在制冷系統(tǒng)長時(shí)間停止運(yùn)行后，液氨溫度升高，致使氨制冷系統(tǒng)的壓力容器在液氨應(yīng)力腐蝕環(huán)境下服役。冷沖壓封頭雖經(jīng)消除殘余應(yīng)力熱處理，但熱處理溫度偏低，殘余應(yīng)力沒有充分消除；熱沖壓封頭沖壓結(jié)束后，在冷態(tài)進(jìn)行修整，致使直邊產(chǎn)生新的冷加工殘余應(yīng)力。封頭本身存在的殘余應(yīng)力、組裝時(shí)因錯(cuò)邊產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、因采用高匹配的焊接材料致使焊縫熱影響區(qū)產(chǎn)生的較大殘余應(yīng)力，以及因存在焊縫余高在焊縫焊趾部位產(chǎn)生的應(yīng)力集中疊加或相互影響，致使封頭直邊環(huán)焊縫焊趾部位出現(xiàn)應(yīng)力峰值，是導(dǎo)致封頭直邊環(huán)焊縫焊趾部位屢屢開裂失效的主要原因。中間冷卻器和低壓循環(huán)桶的上封頭從未發(fā)現(xiàn)開裂失效的主要原因是：中間冷卻器和低壓循環(huán)桶的上部無論是在正常運(yùn)行還是停機(jī)狀態(tài)下都是氣相空間，不會接觸液氨，不存在液氨應(yīng)力腐蝕環(huán)境。

6 防止措施

防止氨制冷系統(tǒng)的壓力容器發(fā)生液氨應(yīng)力腐蝕失效，應(yīng)從如何讓氨制冷系統(tǒng)的壓力容器不在“液氨應(yīng)力腐蝕環(huán)境”下服役著手。

(1)氨制冷壓力容器應(yīng)選用Q245R鋼板加工，且應(yīng)按批號實(shí)測鋼板的抗拉強(qiáng)度，且實(shí)測抗拉強(qiáng)度不宜超過450 MPa。

(2)用于氨制冷壓力容器的封頭應(yīng)優(yōu)先選用熱沖壓加工，且脫模后不應(yīng)進(jìn)行修整，如有修整則須進(jìn)行再結(jié)晶退火熱處理；如采用冷沖壓+熱處理的封頭，則須進(jìn)行再結(jié)晶退火熱處理，不能用消除殘余應(yīng)力熱處理代替，且須保證熱處理時(shí)封頭的各個(gè)部位受熱均勻。

(3)完工封頭的出廠資料中須記錄封頭直邊過渡段的硬度值，檢測點(diǎn)數(shù)均不少于8點(diǎn)，且在氨制冷容器制造廠入庫驗(yàn)收時(shí)應(yīng)復(fù)檢。

(4)封頭與筒節(jié)組裝時(shí)嚴(yán)禁錯(cuò)邊量超標(biāo)，甚至可以提出比GB/T 150.4—2011《壓力容器 第4部分：制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收》更嚴(yán)格的要求。

(5)氨制冷壓力容器焊接時(shí)，在滿足焊接工藝評定要求的前提下，禁止采用高匹配的焊接材料。

(6)氨制冷系統(tǒng)須安裝空氣分離器，無論制冷系統(tǒng)是正常運(yùn)行還是停機(jī)狀態(tài)，都應(yīng)定期排放系統(tǒng)中的空氣等不凝性氣體，且間隔時(shí)間不應(yīng)過長。