混合C4 介質(zhì)球罐內(nèi)部焊縫裂紋缺陷分析及返修

展茂偉 唐元生 趙新軍

中石化第十建設(shè)有限公司 山東青島 255600

某石化乙烯裝置有8 臺容積為3054m3的混合C4球罐，材質(zhì)為Q345R，球殼厚度30～50mm，2011 年建成投入使用。2020 年裝置大檢修期間，按GB150《鋼制壓力容器》要求，對壓力容器設(shè)備進(jìn)行檢測。經(jīng)MT、UT 檢測和現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，3640- T- 001A 和3640- T- 001B 混合C4球罐出現(xiàn)裂紋缺陷，主要分布在上溫帶環(huán)焊縫各T 型接頭附近，缺陷多呈現(xiàn)表面裂紋。經(jīng)UT 檢測定位，T 型焊縫內(nèi)部缺陷有3 處，深度分別為18.5mm、21.7mm 和25mm。在缺陷清除中發(fā)現(xiàn)，2 處為未熔合缺陷，1 處為裂紋缺陷。球罐內(nèi)部表面裂紋26 處，表面裂紋均位于上溫帶環(huán)焊縫位置，有沿焊縫下側(cè)熔合線及熱影響區(qū)開裂特點。圖1 為現(xiàn)場球罐外側(cè)全貌。

圖1 現(xiàn)場球罐外側(cè)全貌

1 裂紋成因分析

裂紋缺陷的照片顯示，裂紋缺陷主要出現(xiàn)在上溫帶、赤道帶環(huán)焊縫和熱影響區(qū)處，呈“直線型，兩邊有小尾巴”，由裂紋中心延焊縫或熔合線開裂，符合“冷裂紋”特點。

1.1 查閱焊接過程及記錄

經(jīng)查閱球罐焊接資料，此球罐材質(zhì)為Q345R，焊條采用大西洋產(chǎn)牌號CHE- 507R(J507R)。焊接時，焊條規(guī)格為Φ3.2mm、Φ4.0mm，沒有采用Φ5.0mm 大規(guī)格焊條焊接記錄。

裂紋焊縫主要分布在球罐內(nèi)赤道、上溫帶“環(huán)型焊縫”。環(huán)形焊縫為“橫焊位置焊縫”，必須采用多層多道焊接。根據(jù)以往焊接施工經(jīng)驗，橫焊縫一般不會存在“焊接線能量超標(biāo)”現(xiàn)象。

球罐焊接順序為，先焊接球罐外部“大坡口”焊縫，再由球罐內(nèi)部對焊縫進(jìn)行“碳弧氣刨”清根。焊縫內(nèi)部清根，受空間和位置等影響會出現(xiàn)坡口形狀不規(guī)則現(xiàn)象，焊接時如果焊工技能水平欠佳，會導(dǎo)致未熔合、夾渣等缺陷。而根部細(xì)小的未熔合、夾渣等缺陷，從X 射線底片上觀察與裂紋缺陷相似，容易當(dāng)作裂紋缺陷判定。

1.2 球罐焊縫位置及應(yīng)力分析

球罐外部赤道帶及下溫帶環(huán)形焊縫都沒有出現(xiàn)裂紋缺陷，裂紋缺陷主要出現(xiàn)在上溫帶、赤道帶內(nèi)部環(huán)形焊縫及熱影響區(qū)（赤道帶分為上赤道帶和下赤道帶），特別是球罐內(nèi)環(huán)焊縫上下T 型接頭周圍，且裂紋缺陷集中分布于焊縫下側(cè)熔合線部位。經(jīng)分析，環(huán)焊縫與縱縫交界處應(yīng)力比較集中。球罐由許多球殼板組成，球殼板經(jīng)弧度壓制成型，因此每塊球殼板均存在較大拘束應(yīng)力和邊緣應(yīng)力。球罐組對時，為確保幾何尺寸，T 型焊縫及縱、橫焊縫存在強(qiáng)力組對現(xiàn)象，使應(yīng)力在T 型焊縫和焊縫邊緣集中。

球罐組焊時，一般采用先焊接縱焊縫、后焊接環(huán)焊縫的工序，上下極帶環(huán)向焊縫一般最后焊接。所以，應(yīng)力主要集中在極帶“環(huán)焊縫”部位，形成“薄弱環(huán)節(jié)”。

1.3 介質(zhì)原因

混合C4球罐中液態(tài)介質(zhì)為丁二烯（C4H4），含有硫化氫等有害雜質(zhì)，生產(chǎn)過程中會析出氣態(tài)氫、硫元素。其中氫原子體積較小，介質(zhì)在球罐長時間運(yùn)轉(zhuǎn)下會滲入到焊縫及附近區(qū)域，加之薄弱環(huán)節(jié)存在的應(yīng)力集中，雙重作用下導(dǎo)致表面氫致開裂。

由于球罐不是滿負(fù)荷使用，液態(tài)介質(zhì)不能完全覆蓋球罐內(nèi)所有焊縫；而球罐內(nèi)下部焊縫一直處于液態(tài)介質(zhì)中。因此，球罐下部焊縫不容易受到氣態(tài)介質(zhì)損害。這也是球罐中裂紋缺陷多處于赤道帶以上焊縫，而下部焊縫沒有出現(xiàn)裂紋的原因之一。

圖2 和圖3 分別為表面斷續(xù)裂紋和焊縫內(nèi)部裂紋缺陷部位。

圖2 表面斷續(xù)裂紋

圖3 焊縫內(nèi)部裂紋缺陷部位

2 球罐裂紋成因分析

（1）球罐中上極帶內(nèi)部環(huán)焊縫，出現(xiàn)的裂紋初步鑒定為“冷裂紋”。

（2）由于是“環(huán)焊縫”出現(xiàn)裂紋，查閱焊接記錄，“環(huán)焊縫”為橫焊縫焊接，基本排除“焊接線能量”超標(biāo)原因。

（3）“環(huán)焊縫”裂紋出現(xiàn)在球罐內(nèi)部，而球罐外部焊縫沒有出現(xiàn)裂紋，球罐內(nèi)介質(zhì)對焊縫有一定的影響。球罐介質(zhì)丁二烯化學(xué)成分為C4H4，生產(chǎn)過程中過量的“氣態(tài)氫”比較活躍，其滲入焊縫、熱影響區(qū)、球殼板中，在冷熱變化中導(dǎo)致氫致冷裂紋。

（4）球罐環(huán)焊縫承受球殼壓制應(yīng)力、坡口邊緣應(yīng)力及焊接殘余應(yīng)力影響，應(yīng)力集中現(xiàn)象大。

3 焊縫返修

（1）球罐裂紋缺陷在返修前，由檢測單位對缺陷位置進(jìn)行現(xiàn)場定位；缺陷消除時采用碳弧氣刨或砂輪打磨，將刨槽飛濺、滲碳層清理干凈，打磨出金屬光澤；再由檢測單位UT 檢測合格后，業(yè)主確認(rèn)方可焊接。見圖4。

圖4 缺陷消除檢測

（2）缺陷清除打磨時注意掌控打磨深度，打磨深度2mm 且≤球殼板名義厚度的5%以內(nèi)不需進(jìn)行補(bǔ)焊，但需用砂輪進(jìn)行修磨，在修磨范圍內(nèi)斜度為1∶3。如打磨2mm 缺陷仍未消除，根據(jù)業(yè)主及檢測單位要求，按照返修工藝執(zhí)行補(bǔ)焊焊接，并將補(bǔ)焊位置打磨圓滑過渡。焊接前，對缺陷清位置采用PT 檢測，按NB/ T47013 規(guī)定要求，Ⅰ級為合格，并做好修補(bǔ)記錄。詳見圖5。

圖5 局部表面裂紋處理

（3）對于焊縫內(nèi)部缺陷，由檢測單位進(jìn)行定位及深度測定，采用碳弧氣刨工藝對焊縫內(nèi)部缺陷清除，PT 檢測確認(rèn)缺陷消除后方可焊接。焊縫內(nèi)部缺陷清除，深度不得超過球殼板厚度的2/ 3；若消除到球殼板厚度的2/ 3 處缺陷還未消除，應(yīng)在該狀態(tài)下完成補(bǔ)焊，然后在背面進(jìn)行缺陷清除，直至缺陷完全清除。

（4）為便于后續(xù)的焊接和過程質(zhì)量控制，缺陷清除時，將刨槽修磨出便于焊接的坡口形式，并適當(dāng)增大坡口根部寬度，便于焊條深入根部焊接。應(yīng)當(dāng)注意的是，裂紋有向兩端或兩側(cè)延伸傾向，要將裂紋完全清除為止。圖6為坡口尺寸檢查。

圖6 坡口尺寸檢查

（5）焊前采用電加熱或火焰加熱進(jìn)行預(yù)熱。缺陷較淺、短焊縫，可采用火焰預(yù)熱，預(yù)熱寬度不小于100mm，預(yù)熱溫度不小于100℃。加熱過程中要留有便于溫度測量的位置，方便進(jìn)行實時溫度測量。詳見圖7。

圖7 焊接預(yù)熱溫度和道間溫度測量

（6）因冬季施工環(huán)境溫度較低，焊前預(yù)熱時要適當(dāng)增大保溫寬度和厚度。

（7）為防止焊接過程中應(yīng)力集中，焊接時采用多層多道焊接。要求不可局部多道連續(xù)焊接，應(yīng)焊完前一道焊縫，保證預(yù)熱溫度下，再焊接下一道。

（8）每層道焊接完成后，將焊渣清除干凈，并將焊瘤、飛濺、凹槽等打磨平整，以保障下一層道焊接質(zhì)量。

（9）橫縫焊接時注意焊條角度，最上一側(cè)焊道應(yīng)留有足夠的焊接空間，保證電弧能夠到達(dá)焊接位置的根部，從而使焊道和焊道間能夠充分熔融，避免出現(xiàn)夾渣、未熔合等缺陷。焊接過程中不得在球殼上有引弧和電弧擦傷現(xiàn)象。

（10）焊接完成后，對焊接位置進(jìn)行打磨，要求將多余的焊縫高度修磨掉，保持與原始焊縫、球殼本體圓滑一致。

（11）缺陷位置必須一次連續(xù)焊完，如因故中斷焊接時，須立即按要求進(jìn)行后熱處理；再次施焊前應(yīng)檢測無裂紋后，再按原工藝要求進(jìn)行施焊。

4 焊后熱處理

（1）返修焊縫采用局部熱處理形式。焊接完成后，如不能及時熱處理，應(yīng)及時進(jìn)行后熱處理，后熱溫度為350℃、保溫時間2h，加熱范圍、溫度測量等與預(yù)熱相同。

（2）焊縫局部熱處理溫度為650℃、保溫時間2h,保溫時間以測溫最低點溫度達(dá)到650℃時計算。

（3）熱處理結(jié)束48h 后，根據(jù)返修厚度不同對焊縫進(jìn)行100%UT、MT 或PT 檢測。檢測合格后由檢測單位出具合格證明，并做好備案。

5 總結(jié)

本次球罐出現(xiàn)的內(nèi)部焊接接頭裂紋，在多個石化裝置檢修中也有出現(xiàn)，具有一定的代表性。經(jīng)過初步分析，球罐中液態(tài)介質(zhì)丁二烯中含有硫化氫等有害雜質(zhì)，會析出氣態(tài)氫、硫元素，較小體積的氫原子長時間會滲透到焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)，導(dǎo)致焊接接頭表面氫致裂紋。

返修前經(jīng)過對裂紋缺陷進(jìn)行分析、檢測，制定了符合實際的返修工藝方案，并經(jīng)業(yè)主、監(jiān)理方確認(rèn)。施工過程中嚴(yán)格執(zhí)行返修焊接工藝，返修焊縫一次合格率達(dá)100%，避免了二次返修對球罐帶來的不利影響。通過本次球罐裂紋分析及返修，積累了類似球罐裂紋返修經(jīng)驗，為其他壓力容器裂紋缺陷返修施工提供參考。