多層包扎容器內(nèi)筒材料超聲檢測質(zhì)量等級確定及焊后熱處理

閆虎剛

(三門峽化工機械有限公司，河南 三門峽 472000)

隨著我國石油化工行業(yè)的快速發(fā)展及工業(yè)產(chǎn)能的逐步提高，壓力容器向著大型化、高參數(shù)化方向發(fā)展。隨著壓力、直徑的提高，壓力容器筒體需要的厚度增加尤為明顯。但厚板的性能遠沒有薄板的好，主要體現(xiàn)在：①板材壓延方向和垂直方向上的延性和韌性差異較大。②金屬元素偏稀，夾雜物的含量、分布及其形狀是否均勻，熱處理時因板厚太大造成材料內(nèi)部和表面淬火效果不同等因素造成板厚方向成分、性能不均。③厚板的轉變溫度較高，脆性破壞的可能性增大[1]。為此，多層包扎容器被廣泛用作合成氨、尿素及煤氣化等裝置中的高壓設備，其結構簡圖見圖1。

圖1 常見多層包扎容器結構簡圖

高壓容器承受著較高的壓力、溫度，會受到各種介質(zhì)的腐蝕，操作條件苛刻。因此，對高壓容器的材料等級、制造水平等要求均很高。在高壓容器設計、制造過程中，應嚴格執(zhí)行國家有關標準、規(guī)范，保證不出現(xiàn)設計失誤及制造缺陷。文中對高壓容器相關標準、規(guī)范執(zhí)行過程中存在的多層包扎容器內(nèi)筒材料超聲檢測質(zhì)量等級確定及焊后熱處理問題進行分析探討。

1 內(nèi)筒材料超聲檢測質(zhì)量等級確定

1.1 標準規(guī)定存在爭議

壓力容器失效與材料密切相關，為預防壓力容器早期失效，確保安全使用，對壓力容器材料選用提出了較高要求[2]。對于高壓多層包扎容器，其內(nèi)筒材料超聲檢測的質(zhì)量等級確定尤為重要。高壓容器所用材料應具有良好的力學性能，同時應遵循經(jīng)濟、節(jié)約和符合國情的原則[1]。

GB 150.2—2011《壓力容器 第2部分：材料》[3]中規(guī)定，對板厚不小于12 mm的多層容器內(nèi)筒鋼板應逐張進行超聲檢測，鋼板超聲檢測方法和質(zhì)量等級按JB/T 4730.3—2005《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》[4]中Ⅰ級的規(guī)定。HG 3129—1998《整體多層夾緊式高壓容器》[5]對內(nèi)筒材質(zhì)也相應有要求。對2015-09-01前設計、制造的多層包扎容器，其內(nèi)筒材料超聲檢測結果符合JB/T 4730.3—2005表3中I級即為合格不存在爭議。對2018-07-01前設計、制造的多層包扎容器，其內(nèi)筒材料超聲檢測結果符合NB/T 47013.3—2015《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》[6]表6中I級為合格也不存在爭議。但隨著國家能源局2018年第7號公告[7]對NB/T 47013.3—2015的修改，2018-07-01后對于如何確定多層容器內(nèi)筒鋼板超聲檢測質(zhì)量等級產(chǎn)生了爭議。

GB 150.2—2011中有關規(guī)范性引用文件的條款明確指出，凡注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件；凡不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用本文件[3]。按照此條規(guī)定，NB/T 47013.3—2015及其修改單替代了JB/T 4730.3—2005，那么NB/T 47013.3—2015及其修改單是適用于GB 150.2—2011的。但具體到多層包扎容器內(nèi)筒的質(zhì)量等級，超聲檢測結果是符合文獻[7]中的TI級還是I級就存在爭議。

1.2 論點1——內(nèi)筒超聲檢測結果以符合TI級為合格

NB/T 47013.3—2015中的表6和文獻[7]中的新表6分別對承壓設備用板材中部檢測區(qū)域質(zhì)量分級指標進行了規(guī)定，見表1和表2。兩表中的dB均為示波屏上兩波高的比較值[8]。

比較上述兩表可以看出，NB/T 47013.3—2015中的Ⅰ級、Ⅱ級與文獻[7]中的TI級、Ⅰ級內(nèi)容完全一致。如果考慮不降低板材質(zhì)量，2018-07-01之后設計、制造的多層包扎容器內(nèi)筒超聲檢測結果應以符合NB/T 47013.3—2015修改單中的TI級為合格。

1.3 論點2——內(nèi)筒超聲檢測結果以符合I級為合格

GB 150.2—2011中規(guī)定多層容器內(nèi)筒鋼板逐張超聲檢測質(zhì)量等級不低于I級，而且在2018-07之后沒有任何修改單，說明GB 150.2—2011不需要修改鋼板超聲檢測質(zhì)量等級，由此得出2018-07-01之后設計、制造的多層容器內(nèi)筒鋼板逐張超聲檢測質(zhì)量等級以符合I級為合格。

表1 NB/T 47013.3—2015中承壓設備用板材中部檢測區(qū)域質(zhì)量分級

表2 文獻[7]中承壓設備用板材中部檢測區(qū)域質(zhì)量分級

NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》標準釋義[9]中指出，為避免由于質(zhì)量分級驗收指標的變化而造成引用該標準的規(guī)范、標準(如TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》[10]、GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》[11]等)對板材超聲檢測質(zhì)量等級(合格等級)要求的修改，擬將質(zhì)量等級由Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級修改為TI級、Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級，同樣說明2018-07-01之后設計、制造的多層包扎容器內(nèi)筒鋼板逐張超聲檢測質(zhì)量等級以I級為合格。

TSG 21—2016中指出，對設計壓力大于等于10 MPa的主要受壓元件，應按照NB/T 47013—2015中的規(guī)定，超聲檢測合格級別不低于Ⅱ級，這與GB 150.2—2011中表3規(guī)定的設計壓力大于或等于10 MPa的材料質(zhì)量等級不低于Ⅱ級的合格級別是一致的。TSG 21—2016中使用的是新版本標準NB/T 47013—2015，也再次說明了無損檢測標準的更替及修改單的實施并不會導致GB 150.2—2011中壓力容器用鋼板原材料超聲檢測質(zhì)量等級的更改。因此認為，2018-07-01之后設計、制造的多層包扎容器內(nèi)筒鋼板逐張超聲檢測質(zhì)量等級應以I級為合格。

1.4 JB/T 4730.3—2005和NB/T 47013.3—2015中鋼板超聲檢測質(zhì)量分級比較

GB 150.2—2011中多層容器內(nèi)筒鋼板逐張超聲檢測質(zhì)量等級I級為合格的規(guī)定可能會造成一種錯覺，即認為隨著標準、規(guī)范的更替，對容器用材要求在降低。這種理解可能忽略了GB 150.2—2011中的無損檢測標準是JB/T 4730.3—2005，其質(zhì)量等級的判別是首先單獨考慮單個缺陷面積大小然后再累加，例如當整張鋼板中密布單個指示面積為9 cm2的分層缺陷時，即使相鄰缺陷間距很小，鋼板質(zhì)量也符合Ⅰ級要求。

NB/T 47013.3—2015和JB/T 4730.3—2005對缺陷尺寸的評定方法有所不同，對鋼板質(zhì)量分級的要求分別見表1和表3。

表3 JB/T 4730.3—2005中鋼板質(zhì)量分級

NB/T 47013.3—2015中單個缺陷指示長度的評定規(guī)則為，用平行于板材壓延方向的矩形框包圍缺陷，其長邊作為該缺陷的指示長度。缺陷指示面積的評定規(guī)則為，單個缺陷按其指示的矩形面積作為該缺陷的單個指示面積；多個缺陷相鄰間距小于相鄰較小缺陷的指示長度時按單個缺陷處理，缺陷指示面積為各缺陷面積之和。因缺陷尺寸的評定方法不同，對同一缺陷，按NB/T 47013.3—2015測得的缺陷指示面積會大一些，NB/T 47013.3—2015中I級板材質(zhì)量要求明顯高于JB/T 4730.3—2005中Ⅰ級板材質(zhì)量要求。

1.5 分析結果

從2011年至今，承壓設備超聲檢測標準經(jīng)歷了3個發(fā)展階段。第1階段是2005-11-01～2015-08-31，承壓設備超聲檢測執(zhí)行JB/T 4730.3—2005；第2階段是2015-09-01～2018-06-30，承壓設備超聲檢測執(zhí)行NB/T 47013.3—2015；第3階段是從2018-07-01至今，承壓設備超聲檢測執(zhí)行的是NB/T 47013.3—2015及其第1號修改單。通過文中分析可知，第2階段鋼板質(zhì)量等級驗收指標比第1階段至少要高2個等級。遵循壓力容器設計既要安全可靠，又要經(jīng)濟合理的原則[12]，在第3階段將鋼板超聲檢測質(zhì)量等級由Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級修改為T1級、Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級，既保證了承壓設備用板材質(zhì)量的提高，避免引用該標準的相關標準、規(guī)范的修改，又具有一定的經(jīng)濟性。

通過對相關標準、規(guī)范、釋義的討論，筆者認為，2018-07-01之后制造的多層包扎容器內(nèi)筒鋼板逐張超聲檢測質(zhì)量等級符合I級為合格的結論是正確的，并沒有降低原材料的質(zhì)量等級。

2 焊后熱處理

壓力容器的安全性及使用壽命與焊接質(zhì)量密切相關，有效的焊后熱處理能保證或消除焊接應力，穩(wěn)定或提高焊接接頭的韌性以及壓力容器的綜合力學性能[1]。

GB 150.4—2011《壓力容器 第4部分：制造、檢驗和驗收》[13]第8.2.2.1條指出，任意厚度的20MnMo焊后應進行焊后熱處理；第12.1.4.3指出，多層包扎容器碳鋼和低合金鋼內(nèi)筒的A類焊接接頭應進行焊后熱處理。對于多層包扎容器，制造單位一般是對內(nèi)筒焊接接頭、內(nèi)筒與球形封頭的焊接接頭、內(nèi)筒與端部法蘭的焊接接頭進行焊后消應力熱處理，此時就會出現(xiàn)材質(zhì)為20MnMo的端部法蘭與層板如何焊接、焊后是否需要進行消除應力熱處理的問題。

GB 150.4—2011第12.3.1條指出，多層包扎容器上與包扎筒節(jié)相焊的各類焊接接頭，焊接后可不做焊后熱處理。對此是否可以理解為多層容器是個特例，層板與任意厚度的20MnMo焊接可以不進行焊后熱處理。筆者認為這種理解是錯誤的。對層板焊接接頭不要求進行焊后熱處理，理由有以下幾點：①層板材料多為焊接性能優(yōu)良的碳素鋼、低合金鋼材料。②層板的厚度未超過規(guī)范規(guī)定的需要熱處理的厚度。③如果進行焊后熱處理會消除層板包扎預緊力。但高壓多層包扎容器是各裝置中的重要設備，務必要保證其焊接接頭的性能，按標準、規(guī)范要求與任意厚度的20MnMo焊接后是必須要進行焊后熱處理的。

GB 150.4—2011要求內(nèi)筒A類焊接接頭焊后要進行熱處理，但對層板焊接接頭沒有熱處理要求。層板與端部法蘭焊后是否進行熱處理主要由端部法蘭材質(zhì)決定，如果端部法蘭為16Mn，就可省去熱處理工序。因此當多層包扎容器的筒體、封頭材質(zhì)為Q345R，端部法蘭材質(zhì)為20MnMo時，筆者建議，可以在端部法蘭端部堆焊J507，按照圖2所示的熱處理結構進行焊后熱處理。即對內(nèi)筒A、B類焊接接頭，內(nèi)筒與球形封頭焊接接頭，內(nèi)筒與端部法蘭焊接接頭以及20MnMo端部法蘭堆焊J507處進行焊后消除應力熱處理，熱處理完畢再進行層板包扎以及層板與封頭的焊接。采用這種方法后，層板與端部法蘭焊接的焊接接頭再無需進行焊后熱處理，既不違反相關標準、規(guī)范的要求，又保持了多層包扎工藝的優(yōu)點[14-21]。

圖2 多層包扎容器端部法蘭、內(nèi)筒與封頭焊后熱處理結構

3 結語

作為特種設備的多層包扎壓力容器，其設計、制造必須符合相關標準、規(guī)范的要求。國家能源局第7號公告實施后，多層包扎容器內(nèi)筒超聲檢測質(zhì)量等級應以符合文獻[7]中I級為合格。當多層包扎容器層板與20MnMo材質(zhì)的端部法蘭焊接時，應從焊接工藝考慮，在端部法蘭端部堆焊J507，以解決層板與20MnMo的焊后熱處理難題。