氫氣瓶定期檢驗與缺陷分析

楊雄，李開亞，閆艷偉，劉建杰

(1.合肥通用機械研究院有限公司；2.合肥通用機械研究院特種設備檢驗站有限公司，安徽 合肥 230031)

隨著科技的進步，工業化水平不斷提高，壓力容器作為工業生產的重要組成部分，被廣泛應用工業生產中，如煉油、化工等領域中，這些領域的特點為介質易燃易爆、有毒有害、高溫高壓，裝置的大型化、生產的連續化，自動化程度高，一旦發生事故，會帶來很大的損失。壓力容器定期檢驗是在特種設備檢驗機構按照一定的時間周期，在壓力容器停機時，按照相關規程對在用壓力容器安全狀況所進行的符合性驗證工作。

焊縫裂紋是焊接過程中或焊接完成后在焊接區域中出現的金屬局部破裂的表現。焊接裂紋是一種危害最大的缺陷，不僅降低焊接接頭的強度，還會引起應力集中，使焊接結構承載后造成斷裂，使產品報廢，甚至會引起嚴重的事故。裂紋按分布的走向分為橫向裂紋、縱向裂紋、星形裂紋（弧形裂紋）；按產生本質分為熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋、層狀撕裂、應力腐蝕裂紋等。

熱裂紋從宏觀上看，焊縫熱裂紋沿焊縫的軸向呈縱向分布（連續或斷續），也可看到橫向裂紋，裂口均有較明顯的氧化色彩，表面無光澤；從微觀看，沿晶粒邊界（包括亞晶界）分布，屬于沿晶斷裂性質。

冷裂紋宏觀斷口具有發亮的金屬光澤的脆性斷裂特性；從微觀上看常常是晶間斷裂，但也可穿晶斷裂，也可晶間和穿晶混合斷裂。

根據資料分析，焊接結構中，冷裂紋約占90%，熱裂紋約占10%，其他裂紋比較少見。本文就壓力容器中的氫氣瓶在檢驗過程中發現的缺陷及處理進行分析。

1 檢驗對象及方法

某化工廠，設備名稱：氫氣瓶、容器內徑：800mm、 長：9195mm、 筒 體/封 頭 材 質：16MnR/16MnR、筒體/封頭設計厚度：44/44mm、設計壓力（殼程）：15.7MPa、操作壓力（殼程）：12.0 MPa、設計溫度（殼程）：80℃、操作溫度（殼程）30℃、工作介質：氫氣、腐蝕裕度：3.0mm、投用日期：1997年9月，本次檢修設備未打開，設備無隔熱層。如圖1為氫氣瓶宏觀照片。

圖1 氫氣瓶宏觀照片

根據TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》（以下簡稱《大容規》）制定檢驗方案，金屬壓力容器定期檢驗項目，以宏觀檢查、壁厚測定、表面缺陷檢測、埋藏缺陷檢測、安全附件檢驗為主，必要時增加材料分析、密封緊固件檢驗、強度檢核、耐壓試驗、泄漏性試驗等項目。

2 問題及處理

表面缺陷檢測，應當采用NB/T47013中的磁粉檢測、滲透檢測方法。鐵磁性材料制壓力容器的表面檢測應當優先采用磁粉檢測，采用黑磁粉、交流電磁軛，濕法、連續法，磁懸液施加方法為噴。交流電磁軛磁提升力≥45N，懸液濃度為10～25g/L，磁粉檢測時一般選用A1：30/100型標準試片。外表面磁粉檢測，發現該氣瓶所檢測一條焊縫（縱縫）及熱影響區存在多處線性缺陷顯示，如橫裂、縱裂等（見圖2、圖3），隨后擴大為100%外表面缺陷檢測。五條環縫，四條縱縫，環縫經磁粉檢測未發現表面裂紋，四條縱縫其中三條存在多處表面裂紋，其對發現表面缺陷焊縫增加A型脈沖反射法超聲波檢測，經超聲波驗證此缺陷為近表面缺陷，非貫穿性缺陷。

圖2 裂紋照片

圖3 裂紋照片

根據《大容規》相關規定內外表面不允許存在裂紋，施工單位開始對缺陷進行消除，打磨大約1～2mm，部分裂紋露出焊渣（條形），部分裂紋依然存在，然后對其中兩處開裂比較嚴重的部位做了金相組織分析。

金相分析結果：（1）所檢驗各部位金相組織基本正常。（2）有些裂紋位于焊縫金屬附近焊疤內部（圖4、5），裂紋尖端以穿晶開裂為主，從形態上看應為焊接延遲裂紋。（3）有些裂紋位于焊縫金屬內部焊渣中（圖6、7），從形態上看應為焊渣引起的裂紋。

圖4 外壁裂紋尖端 200×

圖5 外壁裂紋形貌 200×

圖6 外壁裂紋尖端 200×

圖7 外壁裂紋形貌 200×

通過對表面裂紋的形態和金相結果初步判斷，裂紋產生是由焊接缺陷條渣引起的渣裂和焊接內應力產生的延遲裂紋。

延遲裂紋產生原因如下：焊接接頭存在淬硬組織，擴散氫含量較高，焊接拉應力及拘束應力較大（或應力集中）超過接頭的強度極限時產生開裂等。

防止延遲裂紋產生的措施如下：選用堿性低氫或超低氫型焊條和焊劑；焊前預熱降低焊縫金屬中擴散氫的含量；嚴格地按照焊接工藝指導書或工藝評定進行焊接操作；選擇合理的焊接結構，避免拘束應力過大；焊后緩冷、焊后熱處理防止產生淬硬組織，降低或者消除焊接應力；采用惰性氣體保護焊，能最大地控制焊縫含氫量，降低冷裂紋敏感性。

夾渣產生原因具體如下：坡口尺寸不當；坡口表面有異物；多道焊接時，層間焊渣清理不干凈；焊接電流小；焊接件導熱快，焊縫金屬凝固速度過快；焊條藥皮或焊劑化學成分不當，熔點過高；惰性氣體保護焊接時，電源極性不當，電流密度過大。手工焊接時，焊條擺動速度過快，不利于焊接熔渣上浮。

防止夾渣產生的措施如下：根據相關規范合理加工坡口及坡口清理干凈；多道焊接時，層間焊渣清理徹底；合理選材、控制好線能量、焊接速度、控制好焊接工藝；提供焊接人員素質等。

隨后對裂紋進行打磨消除，打磨形成的凹坑最大深度2mm，根據《大容規》8.5.4規定，內外表面不允許存在裂紋，如果有裂紋，應當打磨消除，裂紋打磨后形成凹坑的深度；如果小于壁厚余量（壁厚余量=實測壁厚-名義壁厚+腐蝕裕量），則凹坑允許存在。本次壁厚余量為3.5mm，則凹坑允許存在。

3 結語

通過對氫氣瓶進行定期檢驗得出如下結論，點狀夾渣的危害性與圓形缺陷相似，帶有尖角的夾渣會產生尖端應力集中，尖端有可能發展為裂紋源，在焊接應力作用下也會產生裂紋。磁粉檢測發現的表面缺陷存在于縱縫及熱影響區，環縫未發現裂紋，由薄殼理論得知，圓筒殼體中軸向應力為環向應力的2倍，縱縫應力水平較高，焊縫開裂和應力水平密切相關，因此在定期檢驗過程中，縱向焊接接頭為檢驗重點部位。