Q345R鋼球罐裂紋產生機理及修復工藝研究

齊喜岑，楊恒忠，吳曉風

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，江蘇 蘇州 215031）

球罐作為石油化工行業常用的壓力容器，得到廣泛的應用。在球罐的各類缺陷中，裂紋是最常見、危險性最大的一種，因裂紋導致的特大事故就曾經發生過多起，造成巨大的人員傷亡和財產損失。因此對球罐裂紋產生的機理進行分析和研究具有重要的意義。通常情況下，裂紋多發生在焊接接頭部位，但近日在對某大型球罐開罐檢驗時，發現多處離焊接接頭較遠位于母材上的裂紋。本文通過對球罐的制造工藝及使用環境綜合分析，探究裂紋產生的機理，制定了合理的修復方案和預防措施。

1 球罐裂紋類型

球罐裂紋按發生的原因大致可歸納為原材料裂紋、焊接裂紋、熱處理裂紋、疲勞裂紋腐蝕裂紋和過載裂紋[1]，裂紋主要因素包括材料因素、組裝因素、焊接因素、機械損傷等因素。

（1）原材料裂紋主要指母材在加工軋制過程中形成的缺陷，也包括焊接和熱處理對母材的影響。

（2）焊接裂紋，球罐在組裝時因焊接而產生的缺陷，可以細分為熱裂紋、再熱裂紋、冷裂紋、應力腐蝕裂紋和層狀撕裂。

（3）熱處理裂紋即焊后消除應力的熱處理過程產生的，常發生在焊縫的熱影響區。

（4）疲勞裂紋是因為結構不合理或材料存在缺陷，造成局部壓力過高，經過反復加卸載和應力不斷交變產生的裂紋。

（5）腐蝕裂紋是在金屬被腐蝕過程中產生的裂紋，典型的腐蝕裂紋是應力腐蝕裂紋（SCC）。

（6）過載裂紋指外加載荷超過金屬的強度極限而產生的裂紋，常發生在部件受力最大部位或應力集中部位，且裂紋形貌紋理細長、尖銳，無分枝或分枝很少。

（7）機械損傷，是由于夾具部位的硬度高于周邊部位，造成殘余應力升高，從而產生裂紋現象，同時球罐板在運輸、壓制、組裝過程中的碰傷等部位也可能導致裂紋。

2 球罐主要參數及使用狀況

球罐材質為Q345R，壁厚38mm，公稱容積1000m3，其化學成分見表1，設計壓力1.71MPa，實際運行壓力1.45MPa，設計溫度-10℃~50℃，運行溫度45℃左右，存儲介質為液化石油氣。

表1 Q345R鋼化學成分表

3 產生機理分析

裂紋位于球罐內表面下溫帶與赤道帶環焊縫下方的母材區域。距環焊縫上下約10cm~20cm。裂紋呈橫向或縱向分布，長10mm~20mm。球罐環焊縫硬度在120HRC~130HRC，裂紋區硬度在300HRC~350HRC，其硬度顯然已經遠遠超出了正常范圍之內，有較大的淬硬傾向。由于在制造安裝過程中所有材質及焊縫都經過100%探傷，因此裂紋應當是在使用過程中產生的。

經過對球罐的制造工藝及使用情況的分析表明：在球殼組對過程中，為了保證裝配精度在環焊縫兩側使用了卡具固定，且卡具與殼體采用焊接固定，經與焊接裝配圖對比，發現發生裂紋的部位正是卡具與殼體焊接部位，由此可以推斷，這些裂紋看似發生在母材上，實質上仍然是焊接裂紋。從裂紋的形貌特征判斷，應屬應力腐蝕裂紋（SCC）。應力腐蝕裂紋的產生取決于拘束應力、腐蝕介質以及氫的作用，另外從裂紋區有較高的硬度判斷，卡具焊接過程中產生了淬硬組織。

3.1 拘束應力

拘束應力包括拉應力和壓應力。拉應力的存在是應力腐蝕裂紋的先決條件，而壓應力不會引起應力腐蝕裂紋。球罐在組裝過程中，如果各種尺寸達不到規范要求而進行強力組裝，就會產生約束應力，焊后應力無法釋放，是產生裂紋的重要因素。球罐在安裝過程中，為保證裝配間隙，用卡具強行固定，一方面卡具在與殼體焊接過程產生了焊接殘余應力；另一方面殼體焊縫因焊接收縮而對卡具焊縫產生較大的拉應力。使用帶裝方式進行主體焊縫焊接，遵循先焊縱縫，后焊環縫的組裝方式在縱縫上產生的應力較小，而在環焊縫周邊造成較大應力，尤其是下極板與赤道帶相連的環焊縫處應力最大；另外，因安裝過程中未完全打磨鋼球罐內、外焊縫表面，一些部位打磨深度較淺，凹坑明顯，球罐表面不均勻，凹坑頂端應力容易造成球罐表面拉裂損壞。

3.2 腐蝕介質

球罐存儲液化石油氣中H2S質量濃度較高，16MnR在H2S介質中將引起應力陰性氫脆開裂，隨著球罐使用年限的增加，H2S濃度會逐漸增大，材料的臨界應力顯著降低，特別是在H2S水溶液中，影響更為嚴重[2]。另外，H2S水溶液的溫度對球罐SCC的影響呈極值型，在室溫附近SCC傾向最大，此球罐正是工作在室溫附近。

3.3 氫

氫的存在也是產生球罐SCC的重要因素，有學者甚至將球罐SCC改稱為氫致裂紋或陰極吸氫型脆性破裂[3]，焊縫中的氫主要來源于母材和焊材，通常為了防止氫致裂紋的產生，在焊接時采用低氫焊條、焊前預熱、焊后后熱來消除氫，但球罐在使用的過程中，由于介質中含有H+，發生析氫反應而使焊接接頭中含有氫，氫原子的擴散聚集從而致使產生SCC。隨著氫含量的增加，材質脆性和硬度逐步升高，致使其韌性快速下降，擴散氫量是造成冷裂紋的產生和擴展起了決定性的作用，含氫量較高，而預熱溫度不足的情況下，肯定產生裂紋。合金元素對熱裂紋中的結晶裂紋產生有很大影響，硫、磷的微量存在也都會增高結晶裂紋的傾向，從許多研究也能證明C、S、P對結晶裂紋影響最大。

3.4 淬硬組織

裂紋區有較高的硬度表明，卡具焊縫及熱影響區中產生了淬硬組織。在焊接卡具時，由于球罐本體作為基體，體積大鋼板厚，焊接時應對焊接部位進行充分的預熱，焊后也應進行熱處理。否則，將導致焊縫冷卻速度過大，產生了馬氏體，形成了淬硬組織，留下了較大的焊接殘余應力，在應力、腐蝕介質的共同作用下形成裂紋。低合金鋼熱影響區組織按球形珠光體—層狀珠光體—回火馬氏體—馬氏體的次序增大SCC傾向。

4 修復工藝要點

（1）焊前磁粉探傷，確定裂紋部位和幾何形狀。

（2）打磨坡口，清除內側裂紋。打磨時在裂紋長度兩端多延長20mm左右，參照測定的深度打磨深度，并且測定槽內硬度，直到裂紋完全消除且硬度正常以后再延伸1mm深度左右。

（3）焊前預熱100~150℃，采用火槍對補焊區域局部預熱。

（4）焊接，采用手工電弧焊，注意焊前對焊條和補焊區烘干，焊條保溫兩小時后取出立即施焊，焊接線能量不宜過大。

（5）打磨補焊區焊縫平整，允許低1mm~2mm，焊縫與母材圓滑過渡，減小應力集中。

（6）焊后消氫處理，溫度200℃~250℃，保溫兩小時。

（7）進行X射線及磁粉探傷，確定無裂紋產生為止。

（8）按設計要求或標準進行水壓試驗。

5 預防措施

通過分析表明，球罐裂紋主要是在拘束應力、腐蝕介質、氫和淬硬組織組織的綜合作用下產生的，因此應從以下幾方面進行預防：

（1）焊前預熱，焊后消應力處理，減少焊接殘余應力。避免一切不正常的組裝，注意防止組裝卡具、拉筋等遺留下來的痕跡以及隨意引弧形成的電弧灼痕。對于卡具焊縫也要特別注意，在卡具割除后，進行局部消應力處理。

（2）減少球罐存儲介質中H2S和水的濃度。

（3）采用低氫型焊材，焊后及時做消氫處理，對于卡具在消氫后割除的，對其焊縫做局部消氫。

（4）采用合適的焊接規范參數，卡具焊接時也要注意控制熱輸入，采用小線能量焊接，防止晶粒粗大，產生大量淬硬組織。

（5）材料復檢。要求材料表面不能有裂紋、氣泡、雜質等問題； 逐一超聲檢查球殼板，執行JB4730驗收標準且不能低于Ⅱ級；復檢07MnCrMoVR要求其C、P、S的含量必須在質保規定范圍內。

（6）工廠壓制處理。在下料時要保證坡口外表面平滑均勻，粗糙度控制在25mm左右，表面不能出現裂紋等缺陷，嚴格按照相關標準對壓制的球殼板幾何尺寸進行驗收。焊接支柱及組焊件時，做好球殼板的中間支撐保持自然狀態，焊接全部采用對稱布焊，分層分道，對線能量的控制與球罐本體焊接的工藝參數保持一致。