在役球形儲罐的焊接缺陷評定及驗證性

薛永盛, 劉鵬鵬, 姬輝, 王峰

(河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院， 鄭州 450016)

0 前言

焊接接頭是球形儲罐組裝過程中產(chǎn)生缺陷的主要部位之一，易存在裂紋、夾渣、氣孔、未熔合、未焊透、幾何偏差、電弧擦傷以及咬邊等缺陷。另外，球形儲罐缺陷的形成同樣受到介質(zhì)環(huán)境的影響，焊接接頭處的應(yīng)力腐蝕開裂也是球形儲罐失效的主要形式之一[1-2]。

目前在球罐定期檢驗過程中，超聲衍射時差法(Time-of-flight diffraction，TOFD)檢測方法已經(jīng)成為必不可少的檢測手段，該檢測方法在深度尺寸定位和相應(yīng)的誤差不依靠信號振幅，具有檢測精度高、可靠性好等優(yōu)點。一般認為，其定量精度為±1 mm，監(jiān)測裂紋的增長能力為±0.3 mm，且采集的數(shù)據(jù)可以永久保存，同時球形儲罐對接焊縫結(jié)構(gòu)形式簡單。因此TOFD檢測技術(shù)特別適用于球形儲罐的檢測，同時也是有效能精確測量出裂紋增長的方法之一。

針對2010年之前安裝的球罐， TOFD抽查時經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)大量超標的埋藏性缺陷(制造安裝過程中無損檢測驗收標準不允許存在的缺陷)，埋藏裂紋缺陷也經(jīng)常存在。這些超標缺陷一般由檢驗人員按TSG 21—2016《固定式球形儲罐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中8.5.10相關(guān)要求進行綜合評定。同時球罐的工作壓力呈周期性波動，屬交變循環(huán)載荷，是典型的低循環(huán)疲勞問題[3-4]，所以實際檢驗過程中發(fā)現(xiàn)球形儲罐存在需要處理的埋藏缺陷時，通常采取挖補修復(fù)的方法進行處理[5]，由于多數(shù)企業(yè)自己無法修復(fù)，必須找專業(yè)的、有維修改造資質(zhì)的施工隊伍進行，不僅增加了企業(yè)的成本支出，也耽誤了企業(yè)設(shè)備的運行時間，增加了企業(yè)的負擔(dān)。

2014年以來，前后共監(jiān)控了5臺有埋藏性超標缺陷的球罐，進行了驗證性試驗。同時按照GB/T 19624—2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》進行安全評定，在安全區(qū)之內(nèi)的缺陷保持監(jiān)控使用。其中2020年到期的1臺球罐進行了2個周期的監(jiān)測，并最終解剖驗證。文中主要針對解剖的球罐案例進行了分析。

1 球形儲罐定期檢驗情況

1.1 球形儲罐的基本參數(shù)

文中以新鄉(xiāng)某化肥企業(yè)的液氨球形儲罐為研究對象，球形儲罐的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 球罐技術(shù)參數(shù)

1.2 球形儲罐的無損檢驗

球罐在2014年第2次定期檢驗中進行了TOFD檢測，檢測工藝根據(jù)NB/T47013.10—2015《承壓設(shè)備無損檢測第10部分：衍射時差法超聲檢測》進行。檢測時發(fā)現(xiàn)性質(zhì)質(zhì)疑的2處缺陷(圖1中QX1和QX2)，原始資料射線檢測報告中無相應(yīng)的缺陷記錄，經(jīng)現(xiàn)場檢驗人員估判該缺陷屬于制造安裝過程中超標埋藏缺陷，初步認定缺陷性質(zhì)為裂紋類缺陷。針對這2處缺陷依照GB/T 19624—2004進行了安全評定，并與企業(yè)協(xié)商對該2處缺陷未做處理。最終該球罐安全狀況等級評定為3級，全面檢驗周期定為3年，對該部位從外表面進行TOFD檢測監(jiān)測，觀察此缺陷的活動情況，同時企業(yè)保證球罐的運行參數(shù)不能提高，所檢測的缺陷情況見表2。

表2 2014年TOFD檢測缺陷情況

2 球罐的安全評定

根據(jù)TOFD檢測的數(shù)據(jù)可以看出，這2處缺陷均為埋藏裂紋缺陷。對于該球罐的安全評定，文中以QX1埋藏缺陷為例，以平面缺陷的常規(guī)評定進行闡述。

2.1 缺陷的表征處理

根據(jù)QX1的實際位置、形狀、尺寸，按照GB/T19624—2004進行規(guī)則化處理，并獲得其表征尺寸：2a=4.2 mm，2c=98 mm，因為其介質(zhì)為液氨，因此缺陷表征尺寸分安全系數(shù)選取1.1，從而確定用于評定計算的表征缺陷尺寸：深度a=2.31 mm，c=53.9 mm，如圖2所示。

2.2 評定中的應(yīng)力確定

在應(yīng)力分安全系數(shù)選擇方面，考慮到失效的嚴重性，以及球罐的介質(zhì)為液氨，具有一定的腐蝕性，其工作壓力和工作溫度相對較低，因此一次應(yīng)力的應(yīng)力分安全系數(shù)取1.2，二次應(yīng)力的應(yīng)力分安全系數(shù)取1.0，用于評定的應(yīng)力為：一次薄膜應(yīng)力pm= 159.248 MPa；二次彎曲應(yīng)力Qb=133.544 MPa。

2.3 材料性能參數(shù)的確定

15MnNbR在設(shè)計溫度下的材料性能參數(shù)見表3[6-7]。

表3 15MnNbR在設(shè)計溫度下的性能參數(shù)[6-7]

采用CTOD斷裂韌度值估算Kc的下限值：

(1)

結(jié)果可求出Kc的值為：3 450.75 N/mm3/2。

2.4 應(yīng)力強度因子KpI和KsI的計算

I型應(yīng)力強度因子KI計算公式為：

(2)

(3)

(4)

其中：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：e為埋藏裂紋中心與板厚中心的偏移量；B為扣除一個評定周期的內(nèi)、外壁腐蝕量后的缺陷附近容器殼體壁厚，mm。

2.5 裂紋載荷比的計算

橢圓形埋藏裂紋載荷比Lr為：

(9)

2.6 斷裂比Kr的計算

斷裂比Kr的計算公式為：

(12)

式中：G為相鄰兩裂紋間彈塑性干涉效應(yīng)系數(shù)；KP為評定用材料斷裂韌度，Kp=Kc/1.2；ρ為塑性修正因子。

(13)

由于將裂紋進行規(guī)則化處理，因此不考慮缺陷間的相互影響，干涉系數(shù)G取1。

2.7 安全性評價

通過上述計算過程，計算出Kr和Lr值所構(gòu)成的評定點(Lr,Kr)繪制到失效評定圖中(圖4所示)，QX1，QX2兩處埋藏裂紋缺陷均在評定圖的安全區(qū)域內(nèi)，因此該球罐可以在缺陷不處理的情況下安全運行。

3 缺陷監(jiān)測的實施過程

在定期檢驗過程中，對球罐埋藏缺陷的檢測主要是通過內(nèi)表面掃查進行。待發(fā)現(xiàn)球罐存在超標埋藏缺陷后，在線監(jiān)測實施過程則是通過TOFD從球罐外表面對缺陷處進行在線監(jiān)測。通過測量埋藏缺陷的指示長度、自身高度和埋藏深度來測定埋藏性缺陷在實際使用過程中的活度。監(jiān)測周期根據(jù)缺陷的活度來調(diào)整，若缺陷為非活動缺陷則延長缺陷的監(jiān)測周期，若缺陷為活動性缺陷增加監(jiān)測的頻率，并根據(jù)缺陷活性變化情況及時對球罐進行修補。

現(xiàn)場采用了HS810設(shè)備對相應(yīng)的缺陷在外表面進行了TOFD檢測。針對監(jiān)測的缺陷，為保證檢測精度采取如下檢測工藝:①為防止鍥塊長期使用產(chǎn)生磨損及探頭頻率影響檢測結(jié)果，在線監(jiān)測還配備了專用的探頭，探頭的頻率為5 MHz、晶片直徑φ6 mm、鍥塊角度63°。②為保證每次監(jiān)測數(shù)據(jù)的誤差降至最低，采用同樣的探頭間距70 mm(探頭聲束交點為監(jiān)控缺陷部位)。監(jiān)控檢測前均采用TOFD-B對比試驗進行了校準，深度顯示偏差控制不大于1 mm，其他技術(shù)參數(shù)嚴格按照標準要求。③為保證檢測結(jié)果評定誤差的影響，監(jiān)控的檢測及評定均為同一人員。

在線檢測的具體實施時間軸分布如圖5所示。通過長達6年的TOFD監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)該球罐的2處缺陷的指示長度，自身高度，埋藏深度均未明顯變化，考慮到綜合誤差，可以認為2處缺陷沒有延展，都屬于非活動性的。2017年和2020年兩個節(jié)點的缺陷數(shù)據(jù)基本情況見表4。

表4 缺陷基本情況

2020年在進行第4次定期檢驗時，受環(huán)保原因業(yè)主停機時間長，雙方協(xié)商對該部位進行了解剖。

現(xiàn)場缺陷解剖采用兩種方式進行，QX1采取磨光機打磨方式，QX2采用碳弧氣剖方式進行缺陷的解剖處理，缺陷TOFD監(jiān)測部分圖譜及解剖后情況如圖6所示。由圖6可以直觀的看出兩處缺陷的性質(zhì)均為裂紋，與TOFD檢測結(jié)果一致。在缺陷參數(shù)測量方面，由于現(xiàn)場解剖條件限制，兩種解剖方式均難以確定缺陷自身高度和埋藏深度。在指示長度測量方面，采取左右端點最遠距離確定缺陷長度，最終QX1長度測量為89 mm，與TOFD檢測結(jié)果綜合誤差為8.2%，QX2測量長度67 mm，與TOFD檢測結(jié)果綜合誤差為6.9%。解剖后缺陷測量長度與檢測值差距不大。

4 裂紋產(chǎn)生及未擴展的原因分析

現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的超標缺陷均出現(xiàn)在球罐的環(huán)焊縫位置，其埋藏深度均在清根部位，前后端點埋深深度相差較小，且自身高度與焊條直徑接近，初步推斷該部分缺陷為原始缺陷。以近些年現(xiàn)場球罐制造安裝及定期檢驗的經(jīng)驗來看，球罐安裝過程中產(chǎn)生的焊接裂紋往往在環(huán)焊縫定位焊的位置[8]。造成這種問題的原因在于現(xiàn)場組焊過程中清根不到位，缺陷很容易遺留在焊縫中。

由于現(xiàn)場點焊操作存在不規(guī)范的因素，以及先縱縫后環(huán)縫的焊接順序，這就不可避免的存在環(huán)焊縫應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成環(huán)焊縫局部點焊位置開裂，且大多點焊位置都熔于永久焊縫中，后期無損檢測是否合格來決定最終質(zhì)量[9]。綜上所述，文中分析這2處缺陷極有可能是定位焊位置清根不干凈的原因引起。

通過查閱安裝資料顯示，該球罐在制造安裝中對接焊縫采用了100%γ射線中心曝光。文中案例中所涉及的缺陷未在原始無損檢測報告中體現(xiàn)。主要是因為γ源檢出率并不是很高，尤其是球罐的全景曝光，在裂紋方向與射線照射方向之間存在一定的夾角的同時，隨著壁厚的增大，射線檢測靈敏度下降，存在漏檢的可能[10]。而對于TOFD檢測來說，其檢測靈敏度高，對該類缺陷檢測率也比較高。目前GB12337—2014《鋼制球形儲罐》中已經(jīng)明確規(guī)定不宜采用γ射線全景曝光射線檢測。綜上所述，有可能是受當(dāng)時射線檢測方法的局限性，未發(fā)現(xiàn)該處缺陷。

該案例中的裂紋在4個定檢周期內(nèi)未明顯擴展與定位焊位置的裂紋特點也有一定關(guān)系。首先定位焊先于正式焊，后期焊接過程將前期裂紋的尖端特性消熔，使其裂紋尾部變圓鈍，導(dǎo)致裂紋不再繼續(xù)擴展，形成所謂的封閉性裂紋[11]。在實際的檢測中也可通過缺陷圖譜(圖6TOFD圖譜)觀察到兩端沒有明顯的尖端顯示。

近幾次定期檢驗中內(nèi)表面環(huán)焊縫位置表面檢測時未發(fā)現(xiàn)相關(guān)焊縫及熱影響區(qū)的裂紋，排除應(yīng)力腐蝕裂紋的可能性。同時球罐使用年限近15年，應(yīng)力釋放趨于平穩(wěn)，初始裂紋的擴展速度慢，甚至不擴展[12]。

5 結(jié)論

(1)對于球形儲罐定期檢驗過程中發(fā)現(xiàn)的超標埋藏裂紋缺陷可依據(jù)GB/T 19624—2014進行安全評定，根據(jù)評定結(jié)果和實際檢驗情況進行綜合判定，并對裂紋進行選擇性修補。

(2)對于未修補的埋藏裂紋缺陷可定期采用TOFD進行在線監(jiān)測，根據(jù)缺陷擴展情況制定具體檢驗方案。

(3)在滿足生產(chǎn)工藝的前提下，對于含有超標埋藏裂紋缺陷的球罐在線監(jiān)控，使用單位應(yīng)當(dāng)盡量穩(wěn)定球罐的使用參數(shù)。