5 萬m3 大型原油儲罐壁板橫焊縫裂紋分析

華金四 唐元生 馬志才

中石化第十建設有限公司 山東青島 266555

國家管網(wǎng)集團東部原油儲運有限公司某輸油站遷建工程站場安裝工程施工第三標段共計8 臺5 萬m3原油儲罐，編號為T1- 8# ，分別由中石化某油建公司和中石化第十建設有限公司（以下簡稱十公司）建設。其中十公司承建T5- 8# 儲罐，該儲罐為單盤內(nèi)浮頂結(jié)構(gòu)，上有穹頂，單臺質(zhì)量約為1258.4t，油罐內(nèi)徑60000mm，罐壁高度20000mm。單臺儲罐共計有8 帶板，第1—5 帶板型號為Q345R, 規(guī)格為H2420mm，厚度分別為32、27、23、19.5、15mm；第6—8 帶板型號為Q235B，規(guī)格為H2340×δ12mm。

為了提高組裝和焊接效率，壁板立縫采用氣電立焊，環(huán)縫采用埋弧橫焊，排版圖見圖1。

圖1 5 萬m3 原油儲罐壁板排版圖

1 裂紋的發(fā)現(xiàn)

按照標準和設計文件規(guī)定，編號為B1 的儲罐第一帶板環(huán)縫和其他丁字焊縫進行RT 檢測。為了提高施工進度，業(yè)主經(jīng)過研討，擬采用TOFT 檢測，同時采用PAUT相共陣進行驗證。結(jié)果在相共振圖譜中發(fā)現(xiàn)，8 臺儲罐AB1 環(huán)縫（第1 帶板環(huán)縫）內(nèi)側(cè)環(huán)橫縫均不同程度出現(xiàn)了多處疑似裂紋缺陷，導致儲罐建設進度嚴重滯后。

該項目儲罐縱縫編號A1、環(huán)縫編號B1，由于儲罐壁板施工焊接周期較短，8 臺儲罐的無損檢測基本在焊后15d 之后陸續(xù)進行。焊縫檢測項目分別使用RT、TOFD、PAUT 方法，RT 均未檢測出明顯的表面缺陷，而使用PAUT 對TOFD 圖譜可疑部位進行檢測時，發(fā)現(xiàn)儲罐壁板B1 環(huán)縫不同程度地出現(xiàn)了疑似表面裂紋（圖2）。經(jīng)現(xiàn)場檢查，表面裂紋深度一般在1～3mm 左右，部分裂紋打磨至3～5mm 后消失。

圖2 儲罐B1 環(huán)焊縫內(nèi)側(cè)裂紋

2 現(xiàn)場施工情況檢查和調(diào)查

（1）現(xiàn)場對T- 05 罐實地觀察，發(fā)現(xiàn)儲罐內(nèi)部焊縫由于安裝浮頂，已全部修磨。對應的儲罐外側(cè)焊縫外觀成型良好（圖3），蓋面焊縫為橫焊縫3 道，排布均勻，沒有層道間夾溝現(xiàn)象，層道間焊縫錯開均大于100mm。因此判斷焊工技能操作水平良好，工藝參數(shù)執(zhí)行良好，基本不存在不規(guī)范執(zhí)行焊接工藝的情況。

圖3 儲罐B1 環(huán)焊縫外側(cè)焊縫成型

（2）檢查現(xiàn)場橫焊焊機設備情況，設備均進行報驗，且運轉(zhuǎn)狀態(tài)良好，合格證等資料完整。

（3）儲罐施工鋼板為甲供材料，由湛江寶鋼鋼鐵有限公司生產(chǎn)，質(zhì)保書齊全且均已進行報驗，預制和安裝過程中未發(fā)現(xiàn)表面缺陷。第一帶、第二帶鋼板材質(zhì)型號為Q345R，鋼板厚度分別為3mm、27mm，共計11 批次鋼板。

（4）對焊接焊材進行檢查，發(fā)現(xiàn)橫焊埋弧焊焊材品牌為四川大西洋，B1 環(huán)縫采用CHW- S3CG CHF71H牌號焊材。施工過程中，十公司嚴格按照焊材管理要求進行焊材管理，現(xiàn)場對焊材發(fā)放記錄和焊材烘干記錄進行了檢查，均符合焊材發(fā)放的管理要求。

（5）對焊工資質(zhì)、儲罐焊接記錄進行檢查，焊工資質(zhì)符合工藝要求，焊接記錄符合要求。現(xiàn)場對儲罐橫焊焊工進行了詢問，焊工反映，施工中使用的大西洋焊劑不易清渣。焊工反饋，B1 環(huán)焊縫先焊內(nèi)側(cè)焊縫，隨后外部焊縫清根，清根合格后進行外側(cè)的焊接。焊接時內(nèi)環(huán)坡口焊縫3層6 道、外環(huán)坡口清根后焊縫焊接3 層6 道。焊接參數(shù)電流在480A、電壓32V 左右，包括焊接速度都保持在焊接工藝規(guī)程范圍內(nèi)，焊接工藝和勞動紀律符合要求。圖4 為儲罐B1 環(huán)焊縫焊接工藝示意圖。

圖4 儲罐B1 環(huán)焊縫焊接工藝示意圖

（6）B1 環(huán)縫施工過程中，最高溫度為23℃，最低溫度為11℃。其中2d 有小陣雨，均按照項目業(yè)主的要求停工，符合施工條件，不存在雨天施工違規(guī)操作的問題。

（7） 對編號T- 05 儲罐的焊縫標號T5- B1- 008-（29～31#）、焊縫標號T5- B1- 008-（25～27#）兩條裂紋進行標識，14h 后進行觀察，發(fā)現(xiàn)2 條裂紋均沒有延伸。

（8）對T- 05 罐第一圈鋼板、B1 環(huán)焊縫及B1 熔合區(qū)硬度進行檢測，其中鋼板表面檢測51 處，最高硬度HB195；B1 環(huán)焊縫硬度檢測50 處，最高硬度HB138；B1熔合區(qū)硬度檢測51 處，最高硬度HB141，均未出現(xiàn)超標現(xiàn)象。

（9）分別對第二帶鋼板編號為B2 及以上5 道焊縫外觀進行全面檢查，對疑似表面缺陷部位進行打磨和外觀檢查，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷。

（10）十公司組織施工、探傷人員對T- 06 罐疑似裂紋缺陷位置進行復驗，共復位檢查8 處，確認2 處為表面裂紋缺陷，長度分別為100mm 和30mm，位置在環(huán)縫下部熔合線。同時對A2、B2 外觀檢查疑似部位9 處，進行打磨PT 檢測，均未發(fā)現(xiàn)缺陷。

3 原因分析

裂紋出現(xiàn)在儲罐環(huán)焊縫編號B1 內(nèi)側(cè)焊縫（圖5），經(jīng)現(xiàn)場判斷呈直線型，為典型的冷裂紋外貌，沿內(nèi)側(cè)環(huán)焊縫下端的熔合線開裂，但現(xiàn)場很多疑似點打磨后缺陷消失，由此推斷可能是條渣或未熔缺陷。

圖5 儲罐B1 環(huán)焊縫內(nèi)側(cè)檢測出現(xiàn)疑似缺陷

3.1 坡口形式和焊槍角度分析

因環(huán)縫為K 型坡口，焊工在進行該位置焊接時未及時準確調(diào)整填充層和蓋面層焊槍角度，造成該道焊縫局部存在疑似假熔，導致出現(xiàn)檢測缺陷。該缺陷有些為表面細微缺陷，打磨后消失，有些發(fā)展為表面裂紋。

5 萬m3儲罐一帶板采用Q345R，立縫采用氣電立焊、橫縫采用埋弧橫焊。第1 帶板δ32mm，和它相連的第2 帶板δ27mm，δ32mm 和δ27mm 組對時，δ32mm坡口采用削邊處理。該焊縫坡口組對形式為釘子型，K 型焊縫，如圖6 所示。焊接時，先進行內(nèi)坡口焊接，完成后外坡口根部清理，隨后完成焊接。該坡口焊縫在焊接過程中，電焊工操作時由于坡口較深，在打底層和填充層時埋弧焊焊槍在坡口內(nèi)角度基本為20°～30°。

圖6 儲罐B1 環(huán)焊縫內(nèi)側(cè)裂紋出現(xiàn)位置

在進行蓋面焊接時，坡口內(nèi)焊槍角度要調(diào)整到45°～50°，如圖7 所示。蓋面層的第一道焊縫由于第一帶鋼板為直坡口，若焊槍的角度偏小容易導致電弧偏向坡口內(nèi)，電弧推力對坡口下沿差，熔池鐵水對直坡口下端“熔深”淺，容易造成焊縫“假熔”。在焊接應力、震動等外部條件下，“假熔”部位產(chǎn)生表面微裂紋，并向焊縫內(nèi)部延伸。

圖7 儲罐B1 環(huán)焊縫焊接時焊槍示意圖

3.2 坡口切割導致硬化層

Q345R 板材坡口表面硬度一般不超過HB210。但坡口進行火焰切割后，由于受到火焰速熱速冷的影響，會出現(xiàn)1mm 左右的硬化層，最高硬度可能會達到HB300 以上，如圖8 所示。

圖8 儲罐鋼板氣割后坡口硬度檢測結(jié)果示意圖

對火焰切割的坡口進行硬度檢測，發(fā)現(xiàn)硬度在HB270～300。硬化層硬度較明顯，對焊縫焊接會造成一定影響?；鹧媲懈畹钠驴谶M行輕度修磨后，表面硬度降到了HB220—HB250，由于修磨不均勻，硬度依然超過標準較多。火焰切割的坡口修磨掉1mm 以后，表面硬度下降到了HB210 以下。從本次坡口逐步修磨檢測出的表面硬度現(xiàn)象來說，儲罐壁板坡口在組對前需要將1mm 左右的硬化層清除掉，才能保證焊縫在焊接過程中具有穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，不會因為硬化層導致延遲裂紋等。

現(xiàn)場對焊接完成的焊縫進行硬度檢測，發(fā)現(xiàn)焊縫表面硬度一般在HB140 ～170，熱影響區(qū)硬度一般在HB140～180，說明完成后的焊縫、熱影響區(qū)硬度恢復正常。

3.3 焊劑酸堿性問題

B1 環(huán)縫橫焊焊材品牌為四川大西洋牌號CHW- S3CG CHF71H。該焊劑為熔煉焊劑，一般具有熔點較低、松裝密度較大、顆粒不規(guī)則的特點，而且不宜吸潮，對油銹不敏感，不宜產(chǎn)生氣孔和夾渣。受焊絲焊劑堿度影響大，韌性相對堿性渣要差，脫氧性能差，焊縫中不宜添加合金元素。

埋弧焊劑堿度是熔渣的最重要冶金特征之一，對熔渣- 金屬相界面處冶金反應，焊接工藝性能和焊縫金屬的力學性能有很大影響。埋弧焊劑按照熔渣的堿度分為酸性焊劑、中性焊劑和堿性焊劑。

（1）酸性焊劑（堿度B≤1.0）具有良好的焊劑工藝性能，焊縫成型美觀，但會使焊縫金屬增硅，焊縫金屬含氧量高，低溫沖擊韌性較低。

（2）堿性焊劑（堿度B≥1.5）：采用堿性焊劑得到的熔敷金屬含氧量低，可以獲得較高的焊縫沖擊韌性，抗裂性好，但焊縫工藝性能差。B≥2.0 的焊劑稱為高堿度焊劑，有除硫及降硅的作用，焊縫金屬的氧含量很低，低溫沖擊韌性值高。但是，隨著堿度的提高，焊道形狀變得窄而高，且容易產(chǎn)生咬邊、夾渣等缺陷。

（3）中性焊劑（堿度B=1.0～1.5）熔敷金屬的化學成分與焊絲的化學成分相近，焊縫含氧量有所降低。

經(jīng)查焊材合格證書，CHF71H 屬于高錳高硅低氟焊劑，按照相關(guān)標準說明屬于酸性焊劑。同時，通過應用國際焊接學會（IIW）推薦的公式計算得出的CHF71H 焊劑堿度值為0.78 左右，為偏酸性焊劑。偏酸性焊劑形成的焊縫抗裂性較堿性焊劑要差。

同時，不排除焊工在焊劑重復使用過程中，可能存在受潮現(xiàn)象。焊縫焊接過程中存在不易脫渣的問題，可能存在焊劑保護不到位的情況。

3.4 焊縫組對時存在局部應力

若焊縫組對時存在局部應力，焊后可能誘發(fā)裂紋。

4 結(jié)語

通過現(xiàn)場調(diào)研和部分因素分析，本次疑似裂紋成因與以下三點有關(guān)：

（1）焊工在K 型坡口焊接時焊槍角度適應性差。由于該儲罐B1 環(huán)焊縫采用K 型坡口，第一層焊接時，為了熔池深入到根部，焊槍角度傾斜較大。隨著填充層、蓋面層焊接，焊槍應及時進行角度調(diào)整，否則會容易導致電弧偏向坡口內(nèi)，電弧推力對坡口下沿差，熔池鐵水對直坡口下端“熔深”淺，從而造成焊縫假熔。在焊接應力、震動等外部條件下，“假熔”部位產(chǎn)生表面微裂紋，并向焊縫內(nèi)部延伸。

（2）坡口氣割后坡口表面硬度會受到速熱、速冷影響產(chǎn)生硬化層，厚度約為1mm，硬度高達HB300，遠遠超過材料硬度HB210。

（3）通過國際焊接學會焊劑酸堿度計算公式得出，埋弧焊劑CHF71H 為酸性焊劑。酸性焊劑具有良好的焊劑工藝性能，焊縫成型容易掌握，但會使焊縫金屬增硅，焊縫金屬含氧量高，導致沖擊韌性較低、抗裂性差。