氧氣球罐裂紋的分析及檢驗建議

袁衛(wèi)東，羅俊勇

（樂山市特種設備監(jiān)督檢驗所，四川 樂山 614000）

一、概況

四川德勝集團鋼鐵有限公司3#1 000m3氧氣球罐用于儲存鋼鐵生產(chǎn)所需的中壓氧氣，保證氧氣輸出壓力穩(wěn)定。該球罐球殼板于2009年投用，球罐的有關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 氧氣球罐技術(shù)參數(shù)

二、裂紋的基本情況

該球罐于2010年10月進行首次開罐全面檢驗。對球罐進行磁粉檢測，共發(fā)現(xiàn)七條表面裂紋，均分布在焊縫熱影響區(qū)，長度8～20mm不等。

裂紋位于赤道帶與下極帶環(huán)縫的內(nèi)表面熱影響區(qū)。根據(jù)裂紋磁痕判斷，該裂紋應當具有一定的深度。為給制定裂紋的修復方案提供更多的信息，采用超聲波方法對裂紋進行了檢測。分別采用K1、K1.5、K2的探頭對該裂紋進行掃查，回波信號具有如下特點：回波當量不高，采用K1、K2探頭時回波當量僅位于定量線上4～6dB，K1.5探頭回波在定量線上下波動；最大指示長度與磁痕顯示長度大體相當；反射信號具有明顯的游動回波特征，在一次波附近和34mm左右深度處回波出現(xiàn)極大值。根據(jù)超聲波檢測情況看，裂紋自身高度大于12mm，已超過TSGR7001-2004《壓力容器定期檢驗規(guī)則》所允許的凹坑深度，因此必須去除裂紋后對形成的凹坑進行補焊。

用砂輪打磨去除裂紋，并采用表面無損檢測手段判斷裂紋去除情況。該裂紋沿深度方向形狀發(fā)生明顯變化并向焊縫延伸，打磨至距母材內(nèi)表面下5mm處，裂紋長度最大，約25mm，裂紋中部靠左側(cè)發(fā)現(xiàn)一處4mm×8mm的渣狀平面缺陷，裂紋正是在此處向兩端擴展，這應當就是裂紋的發(fā)源地。繼續(xù)打磨至距內(nèi)表面15mm深處時，滲透檢測表明裂紋消失。

三、裂紋原因分析

07MnCrMoVR鋼是多元微量合金化的低碳低合金調(diào)質(zhì)高強度鋼，具有高強度和低裂紋敏感性，其優(yōu)點在于焊前不預熱或稍加預熱而不致產(chǎn)生裂紋，具有優(yōu)良的焊接性能和低溫韌性。07MnCrMoVR鋼調(diào)質(zhì)狀態(tài)供貨，金相組織主要是板條狀的回火馬氏體、回火索氏體和貝氏體的混合組織。其所占的比例隨板材厚度方向而異，鋼板表面的回火馬氏體和索氏體占2/3以上，因此，鋼材（特別是表層）的強度和硬度較高。目前，07MnCrMoVR鋼已廣泛應用于氧氣、氮氣、天然氣、液化石油氣、丙烯、乙烯等球罐。

為保證07MnCrMoVR的焊接性能，將鋼的碳含量（質(zhì)量分數(shù)）控制在0.09%以下；為保證室溫下施焊不產(chǎn)生裂紋，焊接冷裂紋敏感指數(shù)Pcm值控制在0.20%以下，且控制焊接材料擴散氫含量。07MnCrMoVR鋼制設備失效形式的報道來看，主要為高強鋼、高殘余應力和特定介質(zhì)的組合原因產(chǎn)生的應力腐蝕裂紋。同時，07MnCrMoVR鋼的含碳量低（≤0.09%），其高強度是通過鋼中加入Cr、Mo、V等碳化物形成元素的彌散強化以及添加B等淬透性強的元素來達到的。強化元素在滿足高強度的同時又涉及到焊后整體熱處理產(chǎn)生再熱裂紋的問題，這成為該材料的又一失效原因。

07MnCrMoVR鋼產(chǎn)生再熱裂紋機理是：鋼中含Cr、Mo、V等元素，這些元素以合金碳化物的形式強化基體，但在焊接時，臨近熔合線的母材被加熱到1 300℃左右，鋼中的合金碳化物被溶解，焊后來不及析出，而在隨后的消除應力熱處理過程中，這些合金碳化物在晶內(nèi)彌散析出，從而強化了晶內(nèi)，使應力松弛時的塑性變形由晶界金屬來承擔。同時，片條狀的碳化物、硼和雜質(zhì)元素易偏析于晶界，在拘束力較大的場合下，加速鋼材沿晶界開裂，這就是焊后整體熱處理過程中產(chǎn)生再熱裂紋的原因。

焊接是一典型的局部冶金過程，在制造過程中受到多種熱加工，導致焊接接頭強度、塑性、韌性發(fā)生明顯變化。焊接過程中，焊接溫度場溫度由金屬熔化溫度逐步降低至常溫。07MnCrMoVR鋼制造時經(jīng)淬火、回火熱處理保證了供貨狀態(tài)的強度，但球罐安裝中因焊接熱加工的影響，焊縫熱影響區(qū)存在高于回火溫度的區(qū)域，使該區(qū)域發(fā)生相變，改變了材料供貨狀態(tài)，導致材料綜合性能下降。在高于相變溫度以上區(qū)域，由于焊接溫度場的作用，冷卻速度不及鋼板制造時的速度，造成晶粒粗大，形成一些粗大馬氏體、鐵素體等的混合組織，塑性和韌性顯著下降，低于相變溫度區(qū)域，由于重結(jié)晶的影響，07MnCrMoVR鋼金相組織中的回火馬氏體明顯減少，導致該部位材料的屈服強度顯著下降。

根據(jù)07MnCrMoVR鋼的壁厚情況，目前球罐實際安裝時采用焊后熱處理和不熱處理兩種方式。目前文獻中一些數(shù)據(jù)表明：無論是否熱處理，這類球罐的殘余應力水平都比較高。此球罐裂紋位于赤道與下極板連接環(huán)縫上，球罐組裝和焊接時，該縫為最后裝配與焊合部位，組合質(zhì)量的不足和焊接變形均需在該部位得到最后的調(diào)整；焊后熱處理時，該縫處于溫度相對較低區(qū)域，升溫、降溫速度不均會形成溫差應力，因此該縫較其他部位必然存在相對更明顯的殘余應力。

本臺球罐安裝時，按照GB50094的要求，100%γ射線和100%超聲波檢測在焊后超過36h進行，熱處理前進行了100%的磁粉檢測，均無異常情況記載。射線檢測所用膠片為T2型膠片，再次復查裂紋部位底片，未發(fā)現(xiàn)異常。

顯然，儲存高純度氧氣的球罐不具備應力腐蝕的條件，裂紋產(chǎn)生的原因應當是由于材料具有較大的再熱裂紋傾向，焊接熱循環(huán)使熱影響區(qū)母材供貨狀態(tài)改變造成性能退化，加之該部位存在缺陷從而成為裂紋萌生源，在焊后熱處理升降溫熱應力和無法消除的殘余應力綜合作用下使該部位缺陷發(fā)生擴展，形成裂紋。由于安裝過程中超過設計壓力的耐壓試驗、投用后工作應力波動等聯(lián)合作用可能逐步擴展，最終形成定期檢驗時發(fā)現(xiàn)的裂紋狀況。

可以說，該裂紋與標準的不完善有一定聯(lián)系。《壓力容器安全技術(shù)規(guī)程》（99版）雖要求“有再熱裂紋傾向的材料應在熱處理后再增加一次無損檢測”，但對比例、方法未作具體規(guī)定。作為球罐技術(shù)標準的GB50094和GB12337，GB50094要求“球罐壓力試驗后應進行磁粉檢測或滲透檢測，復查比例應為焊縫全長的20%以上”。GB12337在熱處理后和耐壓試驗后未進行表面磁粉檢測（包括全部或局部）的規(guī)定。該球罐設計者僅引用了上述標準規(guī)范的基本要求，安裝單位壓力試驗后只在外表面進行了20%的磁粉檢測，在一定程度上導致了具有較大再熱裂紋傾向的07MnCrMoVR鋼制球罐裂紋在安裝階段未能消除。

鑒于上述分析，本臺球罐裂紋打磨凹坑的補焊，除按GB50094和GB12337進行施工和驗收外，熱處理后對補焊部位再次進行了磁粉和超聲波檢測，未發(fā)現(xiàn)超標缺陷。

四、檢驗建議

1.07MnCrMoVR鋼具有一定再熱裂紋傾向，焊后熱影響區(qū)母材供貨狀態(tài)會發(fā)生改變，是焊接結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，因此該部位應當作為制造和在用檢驗中的重點。檢測方法的選擇應以對裂紋敏感的磁粉檢測和超聲波檢測為主，超聲波檢測中應重點關(guān)注具有游動信號特征的反射回波，對該類信號采用TOFD超聲波檢測會取得更好的效果。

2.應加強鋼板，特別是坡口附近質(zhì)量的檢查。按照球罐技術(shù)標準對球殼板周邊100mm按JB4730進行超聲波檢測，但Ⅱ級的合格級別允許的缺陷長度和面積較大，從本案例的情況來看，允許存在的鋼板缺陷指標對保證熱影響區(qū)質(zhì)量來說顯得控制不夠。但有缺陷也不意味著一定會擴展，因此建議對球殼板周邊100mm采用JB4730中C級掃查的方式，對超過20%的缺陷信號進行首先記錄，球罐最終檢驗前對位于熱影響區(qū)的母材有缺陷部位進行表面缺陷和埋藏缺陷檢測。

3.無損檢測時機?？紤]到07MnCrMoVR鋼具有較大再熱裂紋傾向，形成裂紋的原因與焊接殘余應力、焊接施工規(guī)范、組裝質(zhì)量等多種因素相關(guān)。裂紋主要在表面形成，建議在熱處理或水壓試驗之后進行100%磁粉檢測，對懷疑部位進行超聲波檢測。

4.首次定期檢驗。TSGR7001-2004《壓力容器定期檢驗規(guī)則》要求使用標準抗拉強度下限σb≥540MPa材料制造的球形儲罐應在投用1年后開罐檢驗，因此對于有可能存在再熱裂紋或延遲裂紋的07MnCrMoVR鋼制球罐若需延期檢驗應持審慎態(tài)度。對球罐焊接接頭內(nèi)外表面、工卡具焊跡處等部位定期檢驗中至少應進行100%磁粉檢測。

[1]強天鵬.壓力容器檢驗[M].北京：新華出版社，2008.

[2]袁榕等.對某些CF-62鋼制壓力容器中的裂紋分析與防止措施的建議[J].壓力容器.2003，20(2).