球罐首次定期檢驗(yàn)及其裂紋成因分析

潘志浩，孫 杰，李緒豐，林平來

(廣東省特種設(shè)備檢測研究院，廣東 佛山 528251)

球罐屬于常見的壓力容器之一，常用于儲存易燃、易爆以及有毒有害等介質(zhì)[1]。由于球罐主體是由多塊球瓣板焊制組合而成，在投用運(yùn)行過程中，其內(nèi)部往往承載較大應(yīng)力[2]。根據(jù)以往的使用經(jīng)驗(yàn)和事故教訓(xùn)，球罐產(chǎn)生腐蝕開裂不會出現(xiàn)先兆，具有隱蔽性和突發(fā)性特點(diǎn)[3]。一旦球罐泄漏，將會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失甚至是人員傷亡。因此對球罐開展定期的全面檢驗(yàn)十分必要[4]。

針對球形儲罐實(shí)施全面檢驗(yàn)方面，國內(nèi)主要的參考技術(shù)規(guī)范有TSG—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[5](以下簡稱TSG—2016)及GB/T 12337—2014《鋼制球形儲罐》[6]。TSG—2016給出了鋼制壓力容器首次投用后的定期檢驗(yàn)周期。GB/T 12337—2014《鋼制球形儲罐》是國內(nèi)目前關(guān)于鋼制球形儲罐設(shè)計、制造、組焊、檢驗(yàn)和驗(yàn)收的推薦性標(biāo)準(zhǔn)，對球罐本體實(shí)施全面檢驗(yàn)期間若發(fā)現(xiàn)存在裂紋、未熔合和未焊透等重大缺陷，須對缺陷進(jìn)行消缺后修復(fù)，則參考該項技術(shù)文件是必不可少的。

1 首次定期檢驗(yàn)的球罐情況介紹

本研究研討的內(nèi)容為在首次定期檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的實(shí)例。某大型石油化工有限公司公用工程裝置區(qū)所屬3 000 m3混合C4儲罐，設(shè)計參數(shù)見表1，球罐結(jié)構(gòu)如圖1所示。該球罐于2017年首次投入使用，在接受首次定檢中，經(jīng)磁粉檢測發(fā)現(xiàn)罐內(nèi)存在185處裂紋缺陷，根據(jù)TSG—2016關(guān)于金屬壓力容器安全狀況等級評定要求，球罐本體內(nèi)、外表面不允許有裂紋，否則須打磨消缺，若打磨深度超過腐蝕裕度,還應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)焊或進(jìn)行應(yīng)力分析[7]。

圖1 球罐結(jié)構(gòu)示意

表1 球罐基本參數(shù)

為調(diào)查裂紋形成的原因，杜絕設(shè)備再次出現(xiàn)此類重大缺陷，對該球罐增加了外壁環(huán)焊縫磁粉檢測，常規(guī)超聲檢測100%+TOFD(超聲波衍射時差法)檢測驗(yàn)證抽查[8]，金相及硬度檢測。并結(jié)合球罐建造過程時期的資料，對缺陷可能產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，并進(jìn)行現(xiàn)場修復(fù)，為國內(nèi)同類型設(shè)備維修保養(yǎng)提供了借鑒。

2 磁粉檢測缺陷概況

2.1 球罐內(nèi)部磁粉檢測基本情況

該設(shè)備在2020年3月進(jìn)行首次定期檢驗(yàn)，經(jīng)磁粉檢測在罐體內(nèi)部對接焊縫部位發(fā)現(xiàn)185處裂紋缺陷，其中，長度大于50 mm的裂紋達(dá)到22條。部分裂紋缺陷見圖2，具體檢測裂紋部位見圖3。缺陷所在位置主要在球罐上極帶、赤道帶和下極帶的3條環(huán)焊縫部位。

圖2 內(nèi)壁磁粉檢測裂紋情況

圖3 內(nèi)壁磁粉檢測裂紋位置示意

2.2 球罐外壁磁粉檢測擴(kuò)探

該球罐進(jìn)行的是首次定期檢驗(yàn)，首檢一次性檢出數(shù)量如此之多的裂紋缺陷是務(wù)必要引起警惕的。為進(jìn)一步了解裂紋缺陷的發(fā)展動態(tài)，決定對該球罐的外壁3條環(huán)焊縫部位進(jìn)行了磁粉檢測擴(kuò)探，檢測結(jié)果顯示：球罐外壁3道環(huán)焊縫部位具有113處表面裂紋缺陷。

3 常規(guī)超聲及TOFD檢測

根據(jù)TSG—2016等相關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求，球罐進(jìn)行首檢應(yīng)對內(nèi)表面焊縫進(jìn)行100%超聲檢測，為確保檢測數(shù)據(jù)的有效性，引入TOFD技術(shù)對超聲檢測存在異常的部位進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[9]的檢測方法，常規(guī)超聲檢測結(jié)果顯示，在球殼板B3和B4的環(huán)焊部位存在一處缺陷信號。將存在埋藏缺陷部位的焊縫余高打磨平整，使實(shí)施TOFD檢測時可順利通過掃查架[10]。采用非平行掃查方式[11]實(shí)施TOFD檢測后發(fā)現(xiàn)，常規(guī)超聲檢測到的異常部位確實(shí)存在缺陷，疑似裂紋。缺陷基本參數(shù)見表2。

表2 超聲檢測缺陷的基本參數(shù)

4 金相觀察及硬度檢測

依據(jù)國內(nèi)相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)[12-14]，對球罐內(nèi)部的上極帶、赤道帶和下極帶三條環(huán)焊縫部分存在裂紋的附近位置進(jìn)行硬度檢測，其中上極帶環(huán)焊縫處部分存在裂紋區(qū)域硬度平均值為169 HB，赤道帶環(huán)焊縫處部分存在裂紋區(qū)域硬度平均值為170 HB，下極帶部分存在裂紋區(qū)域的硬度平均值為163 HB，說明存在裂紋缺陷部位的硬度正常。

對球罐內(nèi)部的上極帶、赤道帶和下極帶三條環(huán)焊縫部分存在裂紋的位置進(jìn)行機(jī)械打磨拋光，使用體積分?jǐn)?shù)為4%硝酸酒精溶液進(jìn)行浸蝕，采用金相顯微鏡進(jìn)行放大200倍觀察[15],金相組織見圖4。

圖4 存在裂紋缺陷部位的金相組織

由圖4可見，上級帶環(huán)焊處抽取的裂紋缺陷形貌呈穿晶型裂紋，焊縫中心部位金相組織為珠光體+鐵素體，呈2級魏氏組織。赤道帶環(huán)焊部位抽取的裂紋缺陷形貌呈沿晶裂紋，焊縫中心出現(xiàn)了3級魏氏組織，并有微裂紋出現(xiàn)。下極帶環(huán)焊處抽取的裂紋缺陷形貌呈沿晶裂紋。焊縫中心同樣呈3級魏氏組織。

5 裂紋消缺及返修

5.1 產(chǎn)生裂紋原因分析

由圖4可知，Q345R的原始金相組織是鐵素體+珠光體，但在球殼板環(huán)焊區(qū)域都發(fā)現(xiàn)了魏氏組織。魏氏組織會導(dǎo)致鋼材的塑性及沖擊韌性降低，該組織中粗大的亞共析鐵素體嚴(yán)重切割等軸鐵素體晶粒，與鄰近具有高C含量的硬質(zhì)珠光體組織在塑性變形過程中容易在不均勻晶界處發(fā)生滑移、位錯，致使金屬組織變脆，造成局部應(yīng)力集中，最終產(chǎn)生裂紋缺陷[16]。

根據(jù)GB/T 12337—2014《鋼制球形儲罐》等相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，對于使用材質(zhì)為Q345R的球罐，板厚32 mm以上的需在施焊前進(jìn)行預(yù)熱，并應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理。通過查閱建造時期竣工資料得知，該球罐球殼板的建造壁厚僅為26 mm，制造單位對上極帶、赤道帶和下極帶的3條主要環(huán)焊縫在施焊過程中焊前無預(yù)熱，焊后亦無進(jìn)行后熱及做整體或局部熱處理，故極大可能造成該球罐上極帶、赤道帶和下極帶環(huán)焊縫的金屬組織因焊接熱輸入控制不當(dāng)而出現(xiàn)魏氏組織。球罐在建設(shè)過程期間不可避免地要進(jìn)行傘形架拼球強(qiáng)力組對施焊，致使球殼板組對焊制后對接焊縫部位存在較大的殘余應(yīng)力，球罐在運(yùn)行一定周期后,在承壓作用下使得裂紋逐漸擴(kuò)展直至形成大量表面裂紋缺陷。

5.2 裂紋消除

對罐內(nèi)及罐外表面裂紋缺陷采用角磨砂輪機(jī)進(jìn)行間歇性打磨，打磨機(jī)垂直于焊縫進(jìn)行打磨，保證打磨痕跡與焊縫垂直，以便更好地辨別缺陷。采用碳弧氣刨消除缺陷，每層刨除厚度控制在2 mm，缺陷刨除后進(jìn)行打磨，去除表面滲碳硬化層，并將打磨處坡口磨修成U形槽。表面缺陷經(jīng)消除后，罐內(nèi)打磨最深約8 mm，磁粉檢測合格。經(jīng)打磨深約12 mm，消除超聲檢測發(fā)現(xiàn)的內(nèi)部缺陷，磁粉檢測合格。

5.3 缺陷處焊接返修

(1)如果打磨深度超過腐蝕裕量，就需要按TSG—2016要求進(jìn)行補(bǔ)焊返修，而且必須有符合要求的焊接評定，務(wù)必確認(rèn)現(xiàn)場返修處的污垢、鐵銹清理完畢。

(2)采用直流反接施焊，焊條選用J570RH,經(jīng)350～380 ℃烘干后使用。返修時焊接前預(yù)熱溫度設(shè)定為120 ℃，層間溫度控制在不高于180 ℃，預(yù)熱范圍以補(bǔ)焊長度2倍左右的半徑區(qū)域。補(bǔ)焊部位按照回火焊道方法進(jìn)行焊接，多層多道焊每層焊接厚度不超過3 mm，焊后打磨去除焊縫余高，焊后采用火焰加熱，溫度控制在200～250 ℃，時間控制在0.5～1 h。具體焊接參數(shù)見表3。

表3 返修焊接參數(shù)

5.4 焊后質(zhì)量檢驗(yàn)檢測

返修補(bǔ)焊后的焊縫表面應(yīng)無熔渣、藥皮和飛濺等雜物，確認(rèn)焊縫和熱影響區(qū)無表面裂紋、氣孔、夾雜、未熔合和未焊滿等缺陷，外觀檢查合格24 h后，按照NB/T 47013—2015對返修焊縫進(jìn)行100%磁粉檢測及100%超聲檢測，Ⅰ級合格。原埋藏缺陷部位施加相同比例的TOFD檢測，Ⅱ級合格。

5.5 球罐環(huán)焊縫局部熱處理

按照GB/T 30583—2014《承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程》及GB 150.4—2011《壓力容器：制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收》要求，對球罐需熱處理的環(huán)焊縫采用履帶式電加熱器進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。搭設(shè)好腳手架，在選好的測溫點(diǎn)處將測溫?zé)犭娕脊潭?并與記錄儀相連，采用硅酸鋁保溫棉對內(nèi)外環(huán)焊縫包扎保溫，寬度不小于610 mm。焊縫的恒溫溫度設(shè)定為(600±20)℃，恒溫時間約為1.5 h，升溫速度控制在80～180 ℃/h，降溫速度控制在80～200 ℃/h。升溫加熱區(qū)域任意長度為4 600 mm內(nèi)的溫差不得大于120 ℃，保溫期間的最大溫差不得大于40 ℃，待返修焊縫部位溫度低于300 ℃時即可自然冷卻。熱處理工藝曲線見圖5。

圖5 局部熱處理工藝曲線示意

5.6 局部熱處理后質(zhì)量檢測

局部熱處理完成后，再次對返修部位按 NB/T 47013—2015分別進(jìn)行100%磁粉和100%超聲檢測，Ⅰ級合格。并檢測上極帶、赤道帶和下極帶三條環(huán)焊縫的焊縫及熱影響區(qū)的硬度，每個區(qū)域抽檢5點(diǎn)，結(jié)果表明：上極帶環(huán)焊縫硬度平均值為146 HB，熱影響區(qū)為130 HB；赤道帶環(huán)焊縫平均值為147 HB，熱影響區(qū)為126 HB；下極帶環(huán)焊縫平均值為145 HB，熱影響區(qū)為115 HB。測試硬度值均處于正常范圍。

6 結(jié) 語

(1)通過對球罐開展首次定檢發(fā)現(xiàn)了大量裂紋缺陷，分析了其產(chǎn)生的原因?？偨Y(jié)這次的定期檢驗(yàn),可以體會到在球罐的建造安裝期間，必須要嚴(yán)格控制焊接和熱處理質(zhì)量，盡量減少強(qiáng)力組對焊接作業(yè)，并及時消除焊縫內(nèi)部應(yīng)力改善焊接接頭金相組織，最大限度地避免球罐在制造結(jié)束后帶病投用。

(2)該次檢驗(yàn)與修復(fù)的成功，得益于方案的制定體現(xiàn)了科學(xué)性，周密性與施工的高度責(zé)任心。依照缺陷分布情況，合理科學(xué)地安排缺陷擴(kuò)探手段，考慮到材質(zhì)與焊接熱效應(yīng)特點(diǎn)，規(guī)范了裂紋消缺方式，制定了返修補(bǔ)焊的工藝參數(shù)，在消缺的每一個步驟都設(shè)法降低返修部位應(yīng)力，摒棄了傳統(tǒng)的僅靠焊前預(yù)熱焊后熱處理消除應(yīng)力做法，同時高度重視焊前、焊后和熱處理后的質(zhì)量檢測。

(3)該球罐現(xiàn)場消缺修復(fù)一次性完成，同時在球罐等高危壓力容器日常管理中，務(wù)必要重視定期檢驗(yàn)工作，及時對設(shè)備開展全面檢驗(yàn)才能有效遏制事故的發(fā)生，改善設(shè)備的結(jié)構(gòu)健康完整性，為壓力容器的安全運(yùn)行保駕護(hù)航。