TOFD檢測技術下的低溫乙烯球罐焊接質量控制措施

何前進，陳輝華，常 虎

(1.合肥通用機械研究院，安徽 合肥 230088；2.中石化長嶺分公司，湖南岳陽414012）

0 前言

2011年某化工區擴建了數臺2 000 m3低溫乙烯球罐，總包單位為合肥通用機械研究院，球殼板材質為JFE-HITEN610U2L鋼板，壁厚46 mm，設計溫度-40℃，設計壓力2.4 MPa。該罐組設計溫度低、壓力高，承載的是易燃易爆介質，又臨近裂解裝置，一旦泄露后果不堪設想。

為了保證建造質量，避免射線檢測對周圍裝置的干擾，本項目采用了先進的TOFD檢測方法。分析TOFD檢測技術的特點，針對球罐容易產生的缺陷以及該球罐用鋼的焊接特點進行分析，采取合適的控制措施，降低了焊接缺陷的產生機率，保證了低溫乙烯球罐的焊接質量。

1 TOFD檢測技術在大型球罐安裝上的應用

球罐建造日趨大型化，厚度也隨之增加。傳統內部缺陷檢測方法為射線檢測和超聲波檢測，射線檢測直觀，但隨著被檢工件厚度的增加，檢測時間加長，導致靈敏度降低，從而大大增加漏檢率，且對周圍環境影響較大。另外，各個平面的缺陷在板厚方向疊加，最后投影到膠片上，容易造成過度返修，且返修時難以判斷缺陷的深度；超聲波檢測靈敏度高，能判斷缺陷的深度，但對球罐主要以渣類為主的缺陷，其反射波幅長較低，容易漏檢，且不能保留現場記錄，對操作人員的要求很高。TOFD檢測是依靠超聲波與缺陷端部的相互作用發出的衍射波來檢出缺陷并對其進行定量的。這與根據反射信號檢出缺陷，根據反射信號幅度評定缺陷尺寸的傳統超聲波檢測方法截然不同。且能保留掃描圖像，具有適應厚度大、檢測靈敏度高、安全環保以及對裂紋類缺陷敏感性強的優點[1]。

TOFD檢測技術在我國的試驗研究和應用已經有十幾年了，廣泛應用于大型球罐、加氫反應器等重要的特種設備檢測上。檢驗人員根據TOFD檢測掃描的圖像，判斷缺陷的深度和位置，便于尋找缺陷性質和分析缺陷產生的原因。其主要局限性是對靠近內外表面的缺陷存在盲區[2]。因此，在具體檢測前必須進行焊縫的宏觀檢查、磁粉或滲透檢測，合格后再進行TOFD檢測。

球罐焊接的缺陷主要是夾渣，其次是氣孔和裂紋。需要根據缺陷產生的位置和性質具體分析，為后續類似球罐的焊接和返修工作提供借鑒。

2 低溫乙烯球罐焊接質量控制要點及具體措施

該球罐采用JFE-HITEN 610U2L鋼，為低溫調質鋼，主要顯微組織為低碳貝氏體，焊接性能優良，但有一定的再熱裂紋傾向。另外，施工時經歷寒冷的冬季，板厚較厚（46 mm），焊接接頭冷卻速度快，拘束應力較大，冷裂傾向性較大。因此焊接施工的重點是防止再熱裂紋和冷裂紋的產生，整體熱處理時應避開再熱裂紋敏感溫度區間，避免產生再熱裂紋；防止冷裂紋的主要措施是降低焊條擴散氫的含量、減小焊接接頭拘束應力及控制冷卻速度等。

2.1 防止再熱裂紋的控制措施

JFE-HITEN610U2L鋼在650℃時有一定的再熱裂紋（SRC）敏感性，在580℃×2 h多次SR處理時AKV（-50℃）仍較多地高于技術要求值[3]。因此，在焊接工藝評定時，將SR處理溫度降低至580℃，恒溫2 h，力學性能指標能夠滿足技術條件要求。這樣其面縮率和臨界斷裂應力均大大提高，從而降低產生再熱裂紋的機率。

另外，按照GB12337-1998的規定，球罐在熱處理后和耐壓試驗后不需進行表面無損檢測，造成對可能出現的裂紋檢測失控，給長周期安全運行帶來隱患。因此，在整體熱處理后和水壓試驗后焊縫進行100%的表面磁粉檢測。

表1 球罐組裝后幾何尺寸檢查mmTab.1 Inspection record of geometric size before welding

2.2 防止冷裂紋的控制措施

（1）減少組裝應力。焊接拘束應力與板厚成正比。本項目板厚為46 mm，厚度較大，因而焊接拘束應力也相應較大。在組裝過程中不可強力組裝，組裝后的幾何尺寸應控制好，檢查結果如表1所示，可以看出誤差遠遠低于國家標準要求。

（2）減少擴散氫含量。焊條氣相色譜法測定的擴散氫含量由標準規定的不大于7.0 mL/100 g提高到不大于5.0 mL/100 g，焊前按批進行擴散氫含量復驗；使用前進行（350℃～400℃）×1 h烘干，再置于100℃～150℃恒溫箱內，隨用隨取。

（3）焊接順序。正式焊接前應進行定位焊，尤其是環縫位置，間隔不得大于200 mm，定位焊長度不大于50 mm。同時、同向、同速對稱焊接。遵循先縱后環，先外后內，先大坡口再小坡口的原則。

（4）后退引弧。起弧點和收弧點也是容易產生裂紋的位置，起弧端采用后退起弧法，引弧應在坡口內進行，收弧時填滿弧坑，層間接頭錯開50 mm以上。

（5）預熱及后熱消氫。定位板、預焊件和對接焊縫焊前、碳弧氣刨前應進行預熱，范圍以焊接處為中心前后左右至少200mm，溫度大于等于125℃；焊接后應立即進行（200℃～250℃）×1 h的后熱消氫處理。

（6）氣刨清根。大坡口焊接完畢后應在背面進行氣刨清根，將定位焊縫清除干凈，然后打磨，進行滲透檢測，合格后再進行焊接作業。

（7）打磨。焊后為避免應力集中，提高TOFD檢測的準確性，全部對接焊縫內外表面均打磨至與母材齊平（不低于母材），角焊縫打磨至圓滑過渡，不存在急劇的形狀變化。

2.3 防止氣孔產生的控制措施

（1）焊接環境。焊接前應沿球罐四周搭設防風、防雨棚，以確保焊接環境滿足防風、防雨要求。

（2）坡口清理。焊前徹底清除坡口及兩側100mm范圍內的氧化皮、水銹、油污及灰塵等。

（3）用短弧操作，擺幅不得超過焊條規格直徑的4倍。

2.4 防止夾渣產生的控制措施

（1）提高工人的熟練程度。球罐的焊接在野外進行，自然條件惡劣，加之焊縫為全位置焊接，難度較大。因此，對焊工的焊接技能、熟練程度要求較高。為了保證焊接質量，施焊之前對持有效證件的焊工進行崗前技能培訓并模擬考試，合格后方可進行球罐的焊接作業。

（2）層間清理。層間填充前應除盡焊渣，防止層間夾渣。

（3）焊接電流。適當增大焊接電流，便于焊渣順利脫出，但此時應提高焊接速度，以滿足焊接線能量。

3 焊接接頭力學性能的控制措施

球罐的焊接質量除了減少焊縫缺陷機率和降低缺陷的漏檢率外，還需保證焊接接頭的力學性能。為了掌握該鋼的焊接性能尤其是低溫沖擊性能，合肥通用機械研究院對該鋼進行了較為系統的焊接試驗[4-6]。研究表明：焊接線能量是影響其低溫沖擊韌性的主要因素，焊接線能量在35 kJ/cm以下時，焊縫和熱影響區均具有較高的低溫沖擊韌性；線能量在20~25 kJ/cm范圍內性能最佳。

因此，要嚴格控制線能量確保其在技術要求范圍之內。焊接線能量E=UI/v，但在現場這樣先測量再計算很不方便，通常可根據一根焊條的燃燒時間乘以線能量對應下的焊接速度，推算出每根焊條焊接的最短長度，便于現場控制。

4 球罐焊后檢驗

球罐焊接完畢后應進行焊縫的無損檢測和產品試板的力學性能試驗，以檢測球罐的整體質量。

4.1 焊后無損檢測

在無損檢測之前應進行幾何尺寸和外觀質量檢查，合格后方可進行。TOFD檢測對靠近焊縫表面的缺陷不敏感，因此TOFD檢測前先進行焊縫的宏觀檢查，檢查合格后進行焊縫表面的磁粉檢測，合格后再進行TOFD檢測，以提高其檢測可靠性。TOFD檢測應在焊接結束48 h后進行，并進行了超聲波復核，結果顯示TOFD檢測結果準確率很高。

檢測結果為一次合格率為99.20%。解剖缺陷部位，缺陷主要為夾渣和氣孔，發現裂紋。

4.2 產品焊接試板

球罐按GB12337-1998標準要求制備產品焊接試板，并按JB4744-2000標準要求進行力學性能和彎曲性能檢驗，結果如表2所示。

表2 產品焊接試板力學性能和彎曲性能檢測結果Tab.2 Mechanical properties of several sampling parts of steel plate

由表2可知，產品焊接試板力學性能和彎曲性能數據均滿足規范與技術條件的要求，且富裕量較大，這表明焊接質量控制措施有效，焊后熱處理效果較好。

5 結論

（1）采取先進的組裝方法、嚴格的焊接工藝規程并嚴格執行，避免了冷裂紋的產生。

（2）采用先進的TOFD檢測手段，降低了缺陷的漏檢率。

（3）焊后整體熱處理控制到位，避免了再熱裂紋的出現；從焊接試板的力學性能數據，該球罐的強度，尤其是焊接接頭的低溫韌性富裕量較大，保證了產品的質量。

[1]關衛和，閻長周，張保中，等.我國壓力容器行業TOFD檢測技術的應用與進展[J].壓力容器，2010，32（12）：961-983.

[2]閻長周，劉 軍，關衛和，等.TOFD檢測在大型球形儲罐制造安裝中的應用[J].壓力容器，2011，28（3）：49-54.

[3]何前進，吳國俊.SR處理對JFE-HITEN610U2L鋼板及其焊接接頭力學性能的影響[J].熱加工工藝，2009，38(1)：126-129.

[4]張建軍，房務農，李午申.B610CF與JFE-HITEN610U2L鋼焊接裂紋敏感性比較[J].壓力容器，2008，25（11）：15-18.

[5]汪 輝，卜華全，房務農.NK-HITEN610U2L鋼板焊接冷裂紋敏感性[J].石油化工機械，2006，35（4）：13-16.

[6]何前進，吳國俊.乙烯球罐用鋼JFE-HITEN610U2L的焊接[J].熱加工工藝，2009，38(1)：150-151.