淺析回火焊道技術在氧氣球罐裂紋返修中的作用

朱 兵* 沈正軍

（南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院）

0 引言

球形儲罐是一種大容量、球狀的儲存壓力容器，廣泛應用于石油、化工、治金等行業。大型壓力容器如球形儲罐等在使用過程中，受溫度、壓力、介質腐蝕以及環境侵蝕等影響，容易產生應力腐蝕開裂等缺陷，嚴重影響球罐的使用壽命。為使球罐正常工作，需對損傷部位進行補焊返修，但在焊接修復過程中，由于焊接熱循環的作用易造成修復部位殘余應力增大、硬度提高、熱影響區韌性差等，通常應采用焊后熱處理來改善焊接部位的性能。球罐容積較大，若整體進行熱處理費時又不經濟，局部熱處理往往由于受到現場條件制約，很難達到熱處理效果。本文利用應力測試分析結合常規定期檢驗來驗證采用回火焊道技術返修氧氣球罐裂紋缺陷的情況。

1 回火焊道技術

回火焊道焊接技術作為一種新型的焊接技術，可以通過合理控制焊道幾何尺寸、焊道搭接量和焊接熱循環，來有效改善多層多道焊母材熱影響區組織性能。該技術現已被ASME 和RCCM 規范寫入標準文件中，并作為免除焊后熱處理的焊接修復方法，在核工業、電站、石油化工等行業中廣泛用于高溫高壓系統部件的焊接修復和更換。ASME 標準2004 版第Ⅸ卷中將回火焊道焊接技術定義為:在焊道表面的指定位置熔敷焊道，影響前一層焊道形成的熱影響區或改變焊縫金屬的治金性能。可以理解為通過控制形成特定的焊接熱循環，使第二層焊道形成的細品區能夠最大程度覆蓋第一層焊道所形成的粗晶區，從而改善粗晶區的治金性能，以達到焊后熱處理的實施效果。

Nakata K[1]，Aloraier A[2]，Liao M T[3]等學者分別從采用激光焊、藥芯焊絲電弧焊和使用保護氣體等方面對回火焊道技術進行了研究，而國內外學者對回火焊道技術應用在球罐裂紋缺陷返修工作中的研究則幾乎沒有。

2 研究對象

某石化企業中200 m3氧氣球罐的結構為桔瓣式，1985 年5 月，由蘭州蘭石球罐工程有限責任公司壓制球殼并進行現場安裝，并于1986 年投入使用，球罐設計參數如表1 所示。2010 年10 月由南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院開罐檢驗。經檢測發現，該球罐下大環縫中有兩處超標缺陷，均在球罐內的焊縫上（可見圖1），且徑經超聲波檢測判斷為毛細淺表裂紋，第一處缺陷（A）長度為100 mm，深度為7 mm；第二處缺陷（B）長度為80 mm，深度為5 mm。2010年10 月，該球罐由中國化學工程第十四建設有限公司南京機械廠負責現場返修，返修時采用回火焊道技術，返修后其無損檢測合格。

表1 球罐主要參數

圖1 缺陷位置示意圖

3 定期檢驗

TSG21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》詳細規定了壓力容器的檢驗程序。2019 年10 月，南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院再次對該球罐開展定期檢驗，包括宏觀檢驗、壁厚測定、表面無損檢測及安全附件檢查。通過檢驗發現其宏觀無異常，壁厚測定數據在允許范圍內，內表面熒光磁粉檢測、外表面黑磁粉檢測（補焊位置重點檢測）均未發現異常，安全附件均在校驗有效期內。定期檢驗結果顯示回火焊道技術可以較好地應用在氧氣球罐裂紋缺陷返修中。為了進一步驗證回火焊道技術的可靠性，本文對球罐缺陷部位進行了應力測試分析。

4 應力測試分析

4.1 實驗裝置

電阻應變測量法是測定壓力容器筒壁應變的常用方法。采用電阻應變儀測量法（即電測法）對該200 m3氧氣球罐焊縫修理部位進行應力測試，通過實驗測定與理論計算，掌握其受力情況，進而對其進行強度評定。實驗采用HPJY-1004 型應變儀及BX120-3 電阻應變計。本實驗采用二向90°應變花檢測，共計20 個測點，具體布片方案如圖2 所示。

4.2 實驗步驟

（1）構件表面處理

檢查應變片的外形完整性、測量其阻值是否與說明相符來去除斷路和性能不佳的應變片。先用電動砂輪機和銼刀等工具清除裂紋區外表面的油漆、氧化皮和污垢等，然后用砂紙、細砂紙打磨至表面呈光亮的金屬光澤，最后在待貼片的位置附近用筆進行定位標識。

圖2 布片方案圖

（2）貼片

用脫脂棉球沾取丙酮清潔表面油污、灰塵等臟污，然后用干棉球擦干。在應變花的粘貼面上均勻地涂抹一薄層502 膠水，再將其放到構件的貼片位置上，要注意擠出氣泡內的空氣，反復幾次直到應變片粘緊。應變片的連接導線是在應變片徹底粘貼牢固后用錫焊連接，注意不要扯壞應變片或使線路短路。準備工作全部完成后，將導線接入應變儀，并將應變儀與計算機連接。

（3）實驗加載及數據記錄

實驗裝置連接測試完畢，采用場內壓縮氧氣進行加壓，并記錄數據。本實驗采用依次加壓，分別對0.52，0.98，1.48，1.96，2.8 MPa 5 個壓力等級進行實驗數據采集。各壓力等級下的測點應變數據自動采集，各測點應力分布在28，50，79，110，130 MPa 左右，數據基本符合理論規律。

4.3 實驗應力強度評定

（1）結果分析

測點在不同壓力下的應力計算結果基本符合理論規律，數值在可接受范圍內。

數據中存在一定誤差，分析后推測是由應變片粘貼偏差導致的，但對應點的測試結果仍滿足要求。

（2）強度評定

在最大工作壓力2.8 MPa 下，應按第三應力強度理論來評定。一次薄膜應力應滿足 ≤[σ]，[σ]=181 MPa，其中，[σ]為球罐的材料在常溫下的許用應力。各測點在最大工作壓力2.8 MPa 下的強度評定結果為合格。

5 結論

采用回火焊道技術修復的氧氣球罐在定期檢驗時未發現新生缺陷，同時缺陷修復部位應力測試分析強度評定結果為合格，因此可以認為回火焊道技術可以應用在氧氣球罐焊接返修過程中以替代常規熱處理技術。