球罐的質量分析及裂紋分析

劉 徐

遼寧裝備制造職業技術學院 （沈陽 110161）

鋼制球罐，其殼體呈球形，是貯存和運輸各種液體、氣體、液化氣體的經濟實用的壓力容器，廣泛應用于化工、石油、造船及城市煤氣工業等領域。

與圓筒形壓力容器相比，球罐具有受力均勻、承載能力強、壁厚和表面積小等主要優點。另外，球罐要比圓筒形容器節約30%～40%的鋼材，但球罐的制造技術含量比較高、制造費用也高，所以從經濟性考慮，儲存大容積物質時，才優先選用球罐，總體來說球型容器沒有圓筒型容器的應用廣泛。近些年，我國化工、石油、造船、冶金以及國防工業不斷發展，對大容積壓力容器需求量顯著增加，球罐的數量日益增多，球罐的容積和壓力也在逐漸增大，但在安全使用方面仍然存在隱患，常常有災難性的事故發生，因此對其進行嚴格的質量控制是保證生產安全的必要手段。

1 球罐質量缺陷

通過近年來的球罐失效數據統計發現，我國的球罐失效事故有75%是源于焊接、組裝兩類因素。裂紋作為比較嚴重的焊接缺陷，引起大量失效事故，也是導致球罐失效的主要原因。

1965 年英國壓力容器標準化委員會的統計結果顯示，壓力容器在役期間發生失效事故的共計132臺，其中由裂紋造成失效事故的計118臺，占事故總數89.3%；1978年日本神奈川縣的調查結果顯示，從20世紀50年代開始建造的200m3以上的各種球罐共計210臺，其中檢測出裂紋的有152臺，占73%。由此可見，從某種意義上說，球罐的質量控制主要就是裂紋的控制。

通過以上數據，不難發現影響鋼制球罐質量的主要因素就是裂紋。在球罐的環縫區和焊接應力較少的焊縫區常出現較多裂紋，這些裂紋經常源于熱影響區的過熱區，并沿焊縫兩側同時開裂，形態非常細小。開裂部位的斷口經掃描分析，可以發現開裂的斷面具有沿晶開裂形式，斷面上有腐蝕產物和二次開裂現象，晶粒較光滑且表面的腐蝕坑較小。裂紋源表面的覆蓋物中，硫越靠近內表面，覆蓋物硫的含量越高，由此推斷裂紋的產生主要是受硫化物的影響。裂紋的開裂常見有穿晶開裂、沿晶開裂兩種形式，當位錯呈平面排列時，主要在晶粒內部發生應力集中，形成穿晶開裂；當位錯呈網狀排列時，主要在晶界處發生應力集中，形成晶間開裂。

2 球罐裂紋產生原因

鋼制球罐的裂紋主要是在制造過程中和使用過程中產生的，所以要預防裂紋產生，就必須通過這兩種途徑進行嚴格的控制和維護，這也正是解決鋼制球罐使用過程中安全隱患的關鍵因素，應該引起高度重視。

2.1 制造中產生的裂紋

鋼制球罐在制造中產生的裂紋主要是氫致裂紋，產生的原因主要有材料焊接性、組裝時的拘束應力和焊接工藝等三個方面。

目前國內制造球罐用得最多的低合金高強度鋼有16MnR、15MnVR，這些鋼淬硬傾向較大，對裂紋比較敏感。球罐材料的焊接過程中主要產生以下2種裂紋：(1)焊接冷裂紋。焊接接頭冷卻到較低溫度（對于鋼來說一般是指Ms點以下）時產生的裂紋，稱為冷裂紋。拘束應力、淬硬組織和氫的共同作用，使焊接接頭產生的開裂就屬于冷裂紋。冷裂紋主要發生在中碳鋼、高碳鋼以及合金結構鋼的焊接接頭中，特別易于出現在焊接熱影響區。發生在焊縫中的冷裂紋通常是橫向裂紋，開裂形式為穿晶開裂。(2)再熱裂紋。某些合金鋼焊后消除應力處理過程中產生的裂紋，稱為消除應力處理裂紋；在高溫合金焊后時效處理或高溫使用過程中伴隨時效沉淀硬化而出現的裂紋，稱為應變時效裂紋。這種焊后對接頭再次加熱所引起的裂紋統稱為再熱裂紋。熔合區和熱影響區常有再熱裂紋產生，其開裂形式為沿晶開裂。

組裝應力和焊接殘余應力是拘束應力的主要形式，制造球殼時產生的曲率偏差和低合金高強鋼的固有特性等因素，導致組裝應力和焊接殘余應力隨鋼板厚度增加而增加。另外，組裝現場的條件惡劣時，難免會出現較大的尺寸偏差、角變形和錯邊量，造成局部應力集中，產生焊接裂紋。還有就是，球罐的環縫拘束度比縱縫拘束度要大得多。我國質量檢測部門對7個煉油廠的球罐進行檢測后，發現了1 487條裂紋，其中發生在環縫上的裂紋有1 242條裂紋，占裂紋總數的83.5%。

焊接工藝對裂紋產生的影響主要體現在4個方面：

(1)焊條若不嚴格按照要求烘干，焊縫中會產生較多的水分、氫氣，進而導致氫致裂紋的產生；

(2)焊接線能量選擇不當，直接影響焊接接頭的組織性能，增加裂紋產生的可能性；

(3)預熱、后熱、層間溫度等控制不當，不僅接頭組織性能不能得到改善，消氫和消除內應力的效果不好，甚至還會增加氫致裂紋產生的可能性；

(4)合理地選擇焊接順序，有利于控制焊接變形和減少焊接應力，也可有效避免裂紋的產生。

2.2 使用過程中產生的裂紋

鋼制球罐在使用過程中產生的裂紋主要有腐蝕開裂、疲勞裂紋。

球罐所接觸的介質除大氣外，還有各種酸、堿、液態烴、液化石油氣、液氨等，成分比較復雜。晶間腐蝕開裂或應力腐蝕開裂是多種因素共同作用的結果，主要有材質、介質、應力。金屬材料并不是在任何腐蝕介質中都產生腐蝕開裂，材質與介質之間具有一定的匹配性，也就是某種材料只有在某種介質中才產生腐蝕開裂。純金屬不產生腐蝕開裂，而即使含微量元素的合金，在特定的腐蝕環境中也會具有一定腐蝕開裂的傾向，但并非在任何環境都會產生腐蝕開裂。此外，產生腐蝕開裂存在臨界應力，當結構中應力水平低于臨界應力時是不會產生腐蝕開裂的。

球罐在交變應力作用下，最主要的失效形式就是疲勞裂紋，此種裂紋是在遠低于材料抗拉強度或屈服點的條件下產生的，由此產生的斷裂占零件斷裂的80%。疲勞裂紋常出現在未焊透、夾渣、咬邊等缺陷處，這些部位應力較集中，是“先天”的疲勞裂紋源。交變應力在危險截面處多次循環后，晶粒中的薄弱地帶出現不均勻滑移帶，從而形成初始裂紋，裂紋尖端在切應力作用下發生反復塑性變形，導致裂紋擴展，最終斷裂。

3 結語

本文主要是對鋼制球罐的焊接質量進行分析，并針對影響鋼制球罐焊接質量的主要因素裂紋的產生進行了一定的分析。鋼材的選取、球罐的制造與組裝、焊接工藝、殘余應力的消除等都會對防止裂紋的產生起主要作用，只有對裂紋進行有效的控制，才可以解決鋼制球罐的質量問題。

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