液化氣球罐裂紋產生原因分析及修復

姜雪江

（中國石化揚子石化分公司煉油廠設備管理科，江蘇 南京 210048）

揚子石化公司煉油廠油品車間液化氣球罐G831始建于1994年11月，由廣州重型機器廠制造，中化集團第三建設公司負責承建現場安裝，于1995年5月投入使用，具體參數見表1。該球罐主要作為催化裂化C4液化氣儲罐，存儲過合格和不合格液化氣，特別是近幾年以來隨著煉制高硫高酸原油，該儲罐存儲過H2S含量高達7000ppm以上的不合格液化氣，給該球罐的安全運行帶來極大的隱患。球罐運行到期對該罐進行了全面檢驗，通過檢驗發現內外壁焊縫熱影響區存在54條裂紋。對該球罐檢修和裂紋產生的原因進行總結和分析。

表1 G831設計參數

1 球罐裂紋缺陷分布

委托江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院對G831進行了全面檢驗，經檢驗外壁下溫帶焊縫熱影響區發現了35條裂紋，內壁下赤道帶焊縫熱影響區發現了19條裂紋，西北側C6、C7、C8靠近裂紋處母材中度3.5級球墨化。G831球罐靠近裂紋處母材（16MnR）現場外壁不同部位金相組織200X如圖1所示，磁粉探傷焊縫編號如圖2所示，C-D焊縫放大示意圖如圖3所示（單位mm），其中C-D焊縫放大示意圖中的粗線代表裂紋位置，編號C11、C20裂紋位置圖如圖4所示。

圖1 球罐外部裂紋金相組織200X形貌圖

圖2 球罐外部磁粉探傷焊縫編號

圖3 C-D焊縫放大示意圖

圖4 編號C11、C20裂紋位置圖

內壁不同部位磁粉探傷焊縫編號如圖5所示，B-C焊縫放大示意圖如圖6所示（單位mm），其中B-C焊縫放大示意圖中的圓點代表裂紋位置。球罐內部裂紋形貌如圖7所示。

圖5 球罐內壁磁粉探傷焊縫編號

圖6 B-C焊縫放大示意圖

圖7 球罐內部裂紋位置圖

2 裂紋缺陷分析

材料的球墨化是在高溫的作用下產生的，常用16MnR材料滲碳組織的石墨化轉變是在450-550℃左右的溫度且溫度變化較快的條件下開始進行的，而G831使用溫度一般在40℃以下，從檢測結果來看，球罐母材球墨化發生在極板C6、C7和C8處，而這幾處的極板位置正好在球罐的西北方向。該球罐是從1994年11月開始安裝，1995年5月投入使用。縱觀整個安裝周期均在冬季進行，而南京地區在冬季降溫時常受西北風的影響，可以推測出該球罐在做熱處理時，熱處理的處理溫度和保溫的溫降速率有可能受到冷空氣的影響，致使溫降過快，導致靠西北側的極板在焊縫熱影響區的母材出現球墨化，并且焊接應力未完全消除，球罐的外裂紋在西北側附近出現的比較多，故母材的球墨化應該是在設備制造過程中造成的。查閱《化工機械工程手冊》得知材料的球墨化材料常溫下的抗拉強度δb和屈服強度δa會降低，查手冊得知中度球墨化強度指標降低10%～15%。

該球罐在近期存儲過H2S濃度高達7000ppm以上的不合格液化氣（球罐的最大允許H2S濃度＜50mmp），同時隨著煉制高硫高酸原油，空氣中SO2和H2S含量也比過去較高。對于處在溶液中的鋼材，溶液的PH值越低，發生氫脆的傾向就越大，在含H2S的環境中不同形式的H2S對滲氫的作用也不同，依次為：H2S＞HS＞S2-。由于球罐存儲液化氣時液化氣帶水，球罐在濕H2S以及環境中的酸雨和大氣中H2S和焊縫熱影響區的應力共同作用下產生裂紋。在氫致應力開裂的過程中，氫是沿著濃度梯度或應力梯度的方向局部區域自由擴散和聚集，當局部區域的氫濃度達到某個極限時開裂就會發生。

從檢測的結果來看，裂紋均產生在球罐儲存物料易產生濕H2S的下半部，以及在該球罐檢修的初期，由于未做前期消氫處理，在裂紋打磨和補焊的過程中又產生了新的裂紋。調整檢修方案后，對裂紋安排做打磨補焊前的消氫處理解決了這個問題，這也就充分驗證了球罐的裂紋是由氫脆引起的。

氫脆與環境溫度的關系較為密切，鋼材的氫脆僅在-100～150℃之間的溫度范圍發生，而在-30℃～30℃溫度范圍內材料的氫脆敏感性最高，而該球罐的工作溫度恰恰在這溫度區間內。

3 裂紋處理及修復

3.1 焊前處理

先對需要打磨處的裂紋進行電加熱預熱250℃消氫處理，以防止在打磨時裂紋擴展或產生新的裂紋。對裂紋缺陷用電動磨光機進行打磨，直至裂紋完全打磨干凈，對打磨處進行磁粉檢驗，直至合格。針對最深的兩道裂紋，打磨結束后對其進行X光機拍片檢測，直至合格。

3.2 焊接

徹底清除著色后的臟物，施焊前電加熱預熱150℃，采用J507焊條焊接，使用前烘干350～400℃，冷卻至100～150℃放入保溫筒。

焊接接頭時先完成各焊層后再熔敷后續焊層，禁止分段多層焊。各焊道焊接完成后，清除焊渣和夾渣之后再進行下一焊縫的焊接，焊后打磨焊縫與母材基本平齊。

3.3 焊后熱處理

（1）焊接完成后立即用陶瓷遠紅外加熱墊進行熱處理，焊后熱處理溫度控制采用型號為WDK-240電腦溫度控制柜，溫度控制范圍為0～1100℃，控制精度為±1℃，控制回路為12個，配有XWFJ-300自動平衡記錄儀一臺。根據相應熱電偶傳來的溫度指示值自動控制工件的溫度。感溫元件選用K-001M表面熱電偶絲，銅-康銅補償導線（2×1.5mm2）并與電腦溫度控制柜相連。

（2）熱電偶布置在焊道上且緊貼在焊道上，為防止加熱器對熱電偶直接加熱，因此在熱電偶上放了一些保溫棉，每道焊縫放置一支熱電偶，共使用了六個熱電偶。

（3）熱處理曲線由電腦溫度控制柜設定生成，并在熱處理標準記錄紙中反應熱處理曲線。局部熱處理：對補焊處加熱，溫度為620±5℃，靠近加熱區的部位采取保溫措施，保溫時間不少于1.5小時。熱處理數據如表2所示。

表2 G831熱處理工藝

（4）熱處理后對補焊處進行100%X射線探傷和硬度檢測，直至焊接合格。

3.4 檢修后強度試驗

因球罐裝載的液化氣比重比水輕很多，如全用水壓試驗有恐設備基礎無法承受，依據《特種設備安全技術規范》4.7.8的規定，采用氣液混合耐壓試驗，試驗數據如表3所示。

表3 G831氣液混合耐壓試驗數據

試壓前，檢查球罐各連接部位的緊固螺栓，是否裝配齊全，緊固妥當。用工業水進行充水至5m，充水完畢后，開始充氮氣，緩慢進行升壓。先緩慢升壓至0.1MPa，保壓5~10min，對焊縫和連接部位進行初次檢查，無泄漏繼續升壓至0.5MPa。無異常開壓縮機升壓至試驗壓力1.13MPa，保壓1小時后檢查壓力是否下降。檢驗結束后用氮氣將水壓出并吹干。

3.5 球罐的安全評估

球罐的裂紋消除補焊，所有的焊封均做100%X射線探傷，檢測結果顯示該球罐的缺陷已處理完畢。但由于該球罐母材球墨化影響鋼材的強度指標，是否滿足原設計要求，需要對該球罐的強度進行重新校核。

δ=[PD/(4[σ]tψ-P)]+C

式中 δ——球罐壁厚，mm；

P——設計壓力，Mpa；

D——球殼內徑，mm；

[σ]t——許用應力，Mpa；

ψ——焊縫系數；

C——厚度附加量，mm。

查表所得：16MnR材料設計溫度50℃下材料的許用應力[σ]t=163Mpa；設計壓力P=1.625MPa；球殼內徑D=12300mm；球罐壁厚δ=34mm；雙面焊鋼材的焊縫系數取ψ=1，代入數值解得厚度附加量C=3.268mm。取母材球墨化強度下降15%得[σ]t=138.55Mpa，代入公式解得：P=1.38Mpa。

經核算目前的許用壓力非常接近該球罐的工作壓力1.36Mpa，存在很大的安全風險，依據省特檢院的通知要求，為此特申請進行了技術變更，操作壓力控制在0.9Mpa以下，安全閥起跳壓力調整到1.0MPa，確保球罐的安全運行。

4 總結

調整球罐最大操作壓力，重新整定安全閥的起跳壓力，確保球罐的本質安排。做好球罐的內外防腐，減少H2S對設備本體的影響。控制好球罐運行時的操作壓力，嚴禁超壓運行。定期分析液化氣中H2S的濃度，盡可能避免超標H2S進入球罐。一旦球罐內H2S的濃度超標，可采用氮氣置換，避免采用水洗的方式進行處理。對焊縫按要求定期安排檢查。