1000m3LPG球罐定期檢驗分析與安全評估

摘要：本文就LPG球罐檢驗方案、通過無損檢測、金相、硬度、應力測試、焊縫應力進行綜合分析產生裂紋原因、類型，從而制定的返修和預防措施，確保球罐的安全使用。

關鍵詞：球罐 檢驗 應力分析 安全評價

球罐在設計、制造、安裝、使用等過程中，對球罐的會帶來安全隱患，從材料選用、結構設計 、現場組裝、焊接檢驗等，每個環節必須嚴格執行各項標準、規程、規范。本文以某公司1000m3LPG球罐定期檢驗中發現的裂紋缺陷原因機理進行分析，提出修復方案和預防措施。

1.球罐設計參數

設計壓力：1.77 MPa ；設計溫度 ：-19-50℃ ；介質：15MnNbR；壁厚32 mm；內徑：123000 mm 制造單位：上海安裝工程有限公司壓力容器廠。該球罐于2008年并投入運行，球罐中儲存液化石油氣，2011年對球罐進行過全面檢驗。

2.全面檢驗情況

2.1.宏觀檢查 對球罐內外表面進行宏觀檢查

罐內機械損失160余處，罐外150余處，多數為卡具割除焊疤，以及打磨后形成表面凱坑，最大長度260×15 mm，一般長度為100 mm，最深5 mm，一般深1 mm。首先對球罐所有對接焊縫、人孔和接管與球殼板的連接部位、所有的角接部位、球罐支柱及接管法蘭進行了外觀檢查。重點對球罐的幾何尺寸進行了檢測，主要包括球殼板對接焊縫錯邊量和棱角度、焊縫余高、角焊縫焊角高度及焊角尺寸。球罐橢圓度及支柱垂直度經檢查良好。

制作檢驗樣板對成型尺寸進行檢查：錯邊量3～8 mm。棱角度6 m；焊縫咬邊超標；焊疑成型不良，余高達6 mm，焊縫過渡不圓滑，上大環是最后合攏縫，焊疑邊緣與與球殼板幾成90°角，最大錯邊量、棱角度亦產生在此部位。

2.2 .超聲波測厚檢查

該球罐原設計壁厚32 mm，實測最大厚度32.8 mm，最小厚度31.4 mm，未見異常。檢測方案要求采用定點、定位測量，每塊球殼板的檢測點不少于40個點，檢測點在球殼板的中心和邊緣均勻分布。

2.3 .焊縫表面探傷檢查

球罐焊縫內外表面及附近球殼板范圍內進行100%的磁粉檢測。球罐的上段支柱和赤道板連接的焊縫外表面進行100%的滲透檢測。

2.4. 對焊縫內外表面及熱影響區進行100%磁粉探傷檢查，內外部缺陷36處，總長1560 mm（后經焊縫表面打磨消除缺陷，復探合格）。發現上大環內表面產生裂紋兩條：長1415 mm裂紋，打磨深度3.5～5 mm；長240 mm裂紋，打磨深度2.5～4.5 mm。發現上大環內表面裂紋9條，總長2130 mm，最長710 mm。

2.5. 焊縫超聲波探傷檢查

球罐所有對接焊縫進行單面雙側100%的超聲波檢測。超聲波檢查發現超標缺陷56處，總長7430 mm，深度8～32 mm（探測面為外表面）。

2.6 . 焊縫射線探傷檢查

采用射線對超聲檢驗超標缺陷處復探，拍片81張，其中Ⅲ級片13張，Ⅳ級片11張，占拍片總數29.6 %。缺陷為條渣和氣孔，屬制造缺陷，焊縫未返修。

2.7. 硬度檢查

采用里氏硬度法對球殼板的金屬硬度進行測量。每塊球殼板的檢測點不少于20個點，對球殼板的邊緣以及縱環焊縫交叉處重點進行測量。

焊道硬度 HB1750-205熱影響區 HB162-205母 材 HB140-180

由此可見，焊道及熱影響區硬度局部偏高。在球罐組裝焊接過程中，下極側板與赤道帶相接的環焊縫屬于最后焊接區域，因此容易產生較大的焊接應力。

2.8. 金相檢查

對裂紋處進行金相檢驗，其焊道顯微組織為回火索氏體+網狀、針狀鐵素體；熱影響區為回火索氏體；母材為鐵素體+球光體。從球罐下極側板與赤道帶相接的環焊縫上帶有裂紋的部位取樣，試樣包括母材、熔合區、焊肉及裂紋。斷口呈灰色，起伏較大，粗糙，無宏觀塑性變形特征。微觀上為準解理伴有二次微裂紋。有垂直于主斷面的二次裂紋。金相檢查發現在焊縫熔合區及熱影響區中存在大量的馬氏體組織及部分上貝氏體組織。裂紋產生在焊縫熔合區的板條馬氏體處，穿過熱影響區向母材縱深發展。裂紋擴展初期以沿晶擴展為主，隨著熱影響區的組織變化轉變為穿晶擴展。硬度測定結果，在焊縫熔合線上的硬度值很高。達到高強鋼抗拉強度水平。

2.9. 應力測試分析

對球罐采用X射線衍射殘余應力儀，對球罐的殘余應力進行了現場測試，重點測試表面裂紋的焊縫部位。15MnNbR材料的屈服應力σs為350Mpa，測試結果表明焊縫及熱影響區均存在較大的殘余應力，有些部位的殘余應力水平達到了310Mpa和320Mpa，這些測試數據與標準屈服極限相比達到了0.9以上，如與材質證明的實測數據相比，亦超過了0.8。

2.10 .安全附件校驗

安全閥、溫度表、壓力表進行重新標定；進出氣球閥、三通閥、手動放散閥進行維護和試驗。

2.11.基礎沉降觀測

對球罐14個支柱的沉降量進行測量。

2.12.氣密性試驗

采用壓風車壓縮空氣壓入球罐，按照球罐的設計圖紙要求試驗壓力為1.65 MPa，并保壓不少于30min，在壓力檢測點進行法蘭密封面的泄漏檢查。

3. 球罐裂紋成因分析

經以上檢驗，該球形儲罐建造質量不良，焊縫錯邊量、棱角度、焊縫余高嚴重超標，焊縫內部也存在大量超標缺陷。

3.1. 球罐上大環處焊縫的應力分析

球罐上大環處焊縫的應力主要包括整體薄膜應力σ1、焊縫開頭不連續引起的局部應力σ2、焊接殘余應力σr。均勻分布的σ1：σ1=Pw（Di+δ）/4δ （1）

式中Pw--球罐工作壓力 1.6 MPa Di--球罐內身直徑 12300 mm δ--球片厚度 32 mm

代入式（1）得σ1=154MPa。焊縫錯邊量、棱角度超標（考慮焊縫余高超標因素）引起的局部應力σ2（按CVDA-84規范）：σ2=[3（W+h）/δ+0.5] σ1 （2）式中（W+h）--最大棱角度 （8+6）mm代入式（2）得σ2=277 MPa。焊接殘余應力σr：用焊接當量拉應力σ3表示σ3=αrσs =0.6σs（3）式中σs--材料屈服強度為 350 MPa對于球罐表面及補焊處取αr=0.6（按CVDA-84），代入式（3）得σ3=210 MPa。球罐焊縫主應力σ=σ1+σ2+σ3=641 MPa，已超過材料的屈服極限值。由于此臺球罐焊接質量不良，焊縫錯邊量棱角度焊縫余高超標，使得上大環焊縫處產生應力集中，其應力已超過球片材料的屈服極限，在其反復作用下，使材料的晶料之間發生滑移和位錯，逐漸形成微裂紋，并不斷擴展，形成宏觀疲勞裂紋。

3.2 .熱處理和顯微組織對疲勞極限的影響

一切影響強度和塑性的組織結構因素，都對材料的疲勞抗力有明顯的影響。

凡是提高材料抗拉強度的熱處理措施一般都可提高其疲勞極限。在同樣的抗拉強度條件下，改善材料的顯微組織對提高疲勞強度也是有利的。

試驗表明，回火索式體的正斷抗力和切斷抗力均較低，其疲勞極限比回火屈式體和回火馬式體較低。焊道與熱影響區局部硬度偏高，也使得材料的疲勞強度有所降低。

3.3. 對于液化石油氣介質的球罐，表面裂紋要比埋藏缺陷危害更大。因為在表面缺陷處將導致應力集中，介質中含有硫化氫腐蝕介質，通常表面缺陷處發生局部應力腐蝕而導致球罐裂紋延伸直至破裂。

4. 球罐的修復和預防措施

4.1. 球罐組焊在制造時焊接人員未按規范標準要求進行施焊，焊接質量控制不嚴，焊縫中的氫不能逸出，導致焊縫中氫含量較高，在球罐焊接過程中出現氫脆裂紋。

4.2.球罐設計、制造時應選用塑性較好的材料。塑性好的材料，抗低周疲勞性能，保證材料具有一定強度的條件下，應盡可能擔高材料的塑性和韌性。

4.3. 球罐制造安裝時應嚴格控制其球片成型尺寸和組裝焊接尺寸，避免焊接接頭部位、結構不連續部位以及開孔和接管附近區域產生高應變區。

4.4. 安裝時應根據所選用的材料制訂熱處理工藝，以提高材料的抗拉強度和改善顯微組織結構，降低焊接殘余應力，提高材料疲勞極限。

4.5.使用單位在球罐實際運行時，要控制液化石油氣中H2S和水的含量不超標，定期排水，提高pH值

5. 結語

通過以上對1000m3LPG球罐的檢驗綜合分析，提出了嚴格控制球罐在設計安裝過程中組焊中的預熱溫度、層間溫度和焊后熱處理工藝條件，使焊接時產生的氫有效逸出的應對措施，提高材料的疲勞強度。在今后的液化石油氣球罐設計、安裝、使用、檢驗中避免材料出現疲勞裂紋、氫脆裂紋，應力腐蝕裂紋等現象，從而確保球罐的安全使用，避免重大事故發生。

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