3 000 m3丙烯球形儲(chǔ)罐焊縫裂紋原因分析與預(yù)防措施

陳旭杰，鄭 磊，胡 健，張子健，黃 輝，鐘軍平，柴軍輝

1.寧波市勞動(dòng)安全技術(shù)服務(wù)有限公司，浙江 寧波 315048

2.寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，浙江 寧波 315048

0 前言

丙烯作為三大合成材料的基本原料之一，在國(guó)內(nèi)的需求量較大，且需求量逐年穩(wěn)定增長(zhǎng)。石化企業(yè)通常采用球形儲(chǔ)罐來(lái)存儲(chǔ)丙烯，相比同體積的圓筒形容器，球罐鋼板使用量少，建造性價(jià)高。Q370R鋼板屬于國(guó)產(chǎn)中低溫壓力容器鋼板，憑借其優(yōu)良的綜合特性及經(jīng)濟(jì)性，在石化行業(yè)中常被用作球罐材料。本文對(duì)某化工企業(yè)一臺(tái)3 000 m3丙烯球罐間隔6年進(jìn)行兩次開罐檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)從上次定期檢驗(yàn)之后到本次檢驗(yàn)周期內(nèi)，焊縫內(nèi)外表面存在大量裂紋，分析裂紋成因并提出預(yù)防措施，為今后此類球罐的定期檢驗(yàn)提供一定的技術(shù)支持。

1 檢驗(yàn)概況

2015年8 月，對(duì)某丙烯球罐進(jìn)行首次開罐檢驗(yàn)。其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，經(jīng)磁粉檢測(cè)共發(fā)現(xiàn)內(nèi)表面裂紋59條，長(zhǎng)度8～30 mm，外表面磁粉檢測(cè)共發(fā)現(xiàn)101條裂紋，長(zhǎng)度5～240 mm，其中64條為擴(kuò)檢時(shí)發(fā)現(xiàn)的裂紋。

表1 球罐基本信息Table 1 Basic information of spherical tank

2021年9 月，對(duì)該球罐進(jìn)行第二次開罐全面檢驗(yàn)。檢驗(yàn)方案具體如下：資料審查、宏觀檢驗(yàn)、超聲測(cè)厚、磁粉（MT）檢測(cè)（對(duì)接焊縫：內(nèi)表面100%+外表面40%；柱腿與球罐連接焊縫：100%）、滲透檢測(cè)、40%UT檢測(cè)（脈沖反射法超聲檢測(cè)）、20%TOFD檢測(cè)（衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)）等，球罐外展開圖見圖1。

圖1 球罐的外展開圖Fig.1 Outward expansion of spherical tank

2 缺陷分析

2.1 缺陷統(tǒng)計(jì)

球罐第二次開罐全面檢測(cè)結(jié)果匯總?cè)缦拢海?）MT、UT發(fā)現(xiàn)此球罐焊縫共存在177處表面裂紋，詳細(xì)情況見表2；（2）UT、TOFD發(fā)現(xiàn)48處埋藏缺陷，大多數(shù)缺陷性質(zhì)為氣孔、夾渣，深度為22～30 mm，自身高度為1～2.5 mm，經(jīng)判斷均在NB/T 47013—2015標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，可不返修處理。

表2 丙烯球罐表面裂紋情況統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of surface cracks of Propylene Spherical Tank

分析表2數(shù)據(jù)：（1）外表面裂紋數(shù)量占比較大，其中外表面148處，內(nèi)表面29處；（2）縱向裂紋占比較大，共計(jì)136處，約占所有缺陷數(shù)量的77%，橫向裂紋17處，群裂紋24處；（3）上極環(huán)縫FA質(zhì)量最差，存在裂紋數(shù)量最多，外表面有97處，內(nèi)表面11處，共108處，占所有缺陷數(shù)量的61%；（4）環(huán)縫裂紋占比較大，上下級(jí)環(huán)縫FA、AG的裂紋數(shù)量為146處，占所有缺陷數(shù)量的82.5%；（5）拼縫相對(duì)而言裂紋較少，20條拼縫中只有8條存在裂紋，合格率達(dá)60%，此8條拼縫上裂紋共計(jì)31處，其中縱向裂紋占比20%，長(zhǎng)度最長(zhǎng)為40 mm；（6）縱縫情況最好，未發(fā)現(xiàn)存在裂紋缺陷。

2.2 缺陷種類與形貌

裂紋是對(duì)球罐安全運(yùn)行影響最大的一類缺陷，球罐焊縫裂紋的分類方法有很多種，如按照尺寸大小、產(chǎn)生部位、裂紋擴(kuò)展方向、環(huán)境和介質(zhì)的影響。以下三種裂紋對(duì)球罐的安全性影響最大：（1）制造遺留裂紋。一般分為熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋；（2）應(yīng)力腐蝕裂紋。一旦球罐的使用工況滿足應(yīng)力腐蝕三要素時(shí)，即焊縫承受拉應(yīng)力、與球罐材料相匹配的特定腐蝕環(huán)境以及敏感的金屬材料，極易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，這種裂紋隱蔽性強(qiáng)，危害性巨大，會(huì)產(chǎn)生脆性斷裂；（3）疲勞裂紋。球罐在使用過程中，由于介質(zhì)的充裝以及長(zhǎng)期的脈動(dòng)應(yīng)力都會(huì)導(dǎo)致載荷不斷變化，進(jìn)而產(chǎn)生疲勞損傷，形成疲勞裂紋。典型缺陷形貌如圖2所示，主要分為縱向裂紋、橫向裂紋、群裂。

圖2 典型裂紋缺陷形貌Fig.2 Typical crack defect morphology

2.3 橫向裂紋檢測(cè)

由于橫向裂紋的超聲檢測(cè)難度通常高于縱向裂紋，故在此針對(duì)本球罐的某條橫向裂紋，對(duì)其檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行特別說明，以提高橫向裂紋檢出率。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013.3-2015，選擇2.5Z10×16K2型普通超聲探頭，基準(zhǔn)靈敏度設(shè)定為φ2×60-14 dB，掃查靈敏度在此基礎(chǔ)上增加6 dB，采用斜平行掃查方法，分別在圖3中的1、2、3、4四個(gè)位置放置探頭進(jìn)行掃查，儀器上清晰地顯示了裂紋缺陷波。在探頭位置1、3、4處，深度顯示為3.4～7.6mm；在探頭位置1處檢測(cè)時(shí)，波幅最高，為SL+10.7 dB，達(dá)到Ⅲ區(qū)，深度顯示為8.5 mm，具體見圖4，后經(jīng)返修單位現(xiàn)場(chǎng)打磨，此裂紋深達(dá)9 mm。

圖3 橫向裂紋掃查示意Fig.3 Schematic diagram of transverse crack scanning

圖4 橫向裂紋現(xiàn)場(chǎng)A超檢測(cè)結(jié)果Fig.4 FieldA-ultrasonic testing results of transverse cracks

3 缺陷成因分析

（1）球罐在制造安裝焊接過程中，通常存在焊工技術(shù)欠佳、焊接工藝問題、不嚴(yán)格按照工藝焊接和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較惡劣等因素，造成焊縫中溶解一定的氫氣或殘余應(yīng)力集中，特別是在上下級(jí)環(huán)縫FA、AG處，且球罐的組裝遵循以下順序：赤道帶→下極帶→上極帶，這兩道環(huán)焊縫在最后組裝，應(yīng)力比較集中，再加上安裝及焊接工藝不當(dāng)?shù)炔焕蛩兀罱K導(dǎo)致裂紋源產(chǎn)生。

（2）球罐的焊后熱處理未達(dá)到預(yù)期要求。球罐的焊后熱處理工藝依據(jù)GB 12337—2014《鋼制球形儲(chǔ)罐》進(jìn)行，熱處理工藝主要包括：焊后熱處理溫度應(yīng)控制在（580±20）℃；熱處理恒溫時(shí)間按板厚每25 mm恒溫1 h計(jì)算，不得小于1 h；升溫至400℃以上時(shí)，升溫速度嚴(yán)格控制為50～80℃/h；400℃以上降溫時(shí)，降溫速度嚴(yán)格控制為30～50℃/h；在400℃以上升溫和降溫時(shí)，任意兩點(diǎn)的溫差不大于130℃。雖然焊縫殘余應(yīng)力不能完全消除，但可通過焊后熱處理來(lái)有效降低。然而在現(xiàn)場(chǎng)熱處理過程中，施工單位通常對(duì)于熱處理技術(shù)規(guī)范執(zhí)行不到位，這就容易導(dǎo)致熱處理溫度或時(shí)間未達(dá)到規(guī)定要求，最終導(dǎo)致熱處理不充分。

（3）現(xiàn)場(chǎng)組焊時(shí)，縱向焊縫采用立焊，環(huán)向焊縫采用橫焊，焊接位置的不同會(huì)導(dǎo)致焊縫性能存在差異。采用橫焊時(shí)焊道寬窄不一，對(duì)焊接過程控制要求較高，一旦操作存在失誤，就會(huì)出現(xiàn)熔化金屬滴落或者熔深不夠造成未焊透。綜上所述，環(huán)向焊縫的焊接難度大于縱向焊縫，所以在球罐的現(xiàn)場(chǎng)組焊過程中，一般環(huán)向焊縫的缺陷數(shù)量多于縱向焊縫。

（4）環(huán)向焊縫的焊接線能量較小，焊接線能量=（電流×電壓）/焊接速度。在（電流×電壓）不變時(shí)，焊接線能量的大小和焊接速度成反比，現(xiàn)場(chǎng)組焊時(shí)，環(huán)焊縫的焊接速度大，焊接線能量小，所以冷卻速度大，一旦冷卻速度大于臨界冷卻速度，就會(huì)誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變，而馬氏體組織缺口的敏感性、淬硬性大、硬度大，在應(yīng)力作用下易產(chǎn)生裂紋，因此環(huán)向焊縫的裂紋數(shù)量明顯多于縱向焊縫。

（5）焊接過程中的熱分布不均勻，殘余應(yīng)力的存在是產(chǎn)生裂紋的重要原因之一，焊接時(shí)焊縫高溫區(qū)的加熱膨脹受到低溫區(qū)的約束，會(huì)使高溫區(qū)產(chǎn)生塑性變形；冷卻時(shí)高溫區(qū)的金屬收縮受到限制，會(huì)受到低溫區(qū)的拉伸作用，這就產(chǎn)生了一個(gè)與加熱過程熱應(yīng)力方向相反的力，即殘余應(yīng)力。環(huán)向焊縫的長(zhǎng)度一般較長(zhǎng)，其焊接時(shí)間就更長(zhǎng)，受熱影響就越大，殘余應(yīng)力也就越大。

4 缺陷處理

缺陷處理的思路如下：（1）應(yīng)由具有相關(guān)資質(zhì)的返修單位進(jìn)行，按照TSG 07-2019的要求，返修單位需持有A3級(jí)資質(zhì)；（2）嚴(yán)格執(zhí)行球罐有關(guān)規(guī)程和技術(shù)規(guī)范，一般按GB 12337—2014進(jìn)行；（3）大多數(shù)裂紋深度為0.5～3 mm，需打磨消除并做圓滑過渡處理，對(duì)于深度較大的裂紋還需進(jìn)行補(bǔ)焊；（4）其他埋藏缺陷經(jīng)打磨消除后補(bǔ)焊，然后采用UT、TOFD復(fù)驗(yàn)合格，再經(jīng)局部熱處理、水壓試驗(yàn)、磁粉檢測(cè)。

5 預(yù)防措施

5.1 建造安裝方面

（1）選擇滿足安全使用條件的鋼材。

（2）嚴(yán)格控制球殼板原材料質(zhì)量，主要包括鋼板的厚度、化學(xué)成分、力學(xué)性能，同時(shí)鍛件、焊材均要高于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）嚴(yán)格控制球殼板制造質(zhì)量，主要包括：下料精度、球殼板圓弧度、幾何尺寸、曲率、坡口尺寸等，幾何偏差要高于標(biāo)準(zhǔn)要求，上述指標(biāo)控制得越好，焊接質(zhì)量便會(huì)越高。

（4）嚴(yán)格控制焊接過程質(zhì)量。選擇持有焊接證書、有焊接經(jīng)驗(yàn)并掌握此鋼種焊接要領(lǐng)的焊工，在準(zhǔn)確位置安裝預(yù)熱器，均勻預(yù)熱至合適溫度，應(yīng)嚴(yán)格按照焊接工藝執(zhí)行：焊接電流、焊接電壓、焊接線能量選用標(biāo)準(zhǔn)推薦值，同時(shí)焊接材料的選用也要嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)，并關(guān)注其是否在有效期內(nèi)，選擇合適的施焊退焊法，每一層焊接結(jié)束時(shí)必須要徹底清除焊渣并檢查，發(fā)現(xiàn)表面缺陷、焊瘤等及時(shí)打磨干凈。

（5）焊接完成后檢查焊縫表面有無(wú)缺陷、熔渣或飛濺物，焊縫成形是否符合要求，否則必須打磨消除整改直至合格。

（6）焊接結(jié)束后按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，嚴(yán)格按熱處理工藝規(guī)范進(jìn)行熱處理，最后進(jìn)行水壓、氣密性試驗(yàn)，企業(yè)在球罐使用過程中應(yīng)嚴(yán)格控制工作壓力、工作溫度，不得違規(guī)操作、超標(biāo)運(yùn)行。

5.2 定期檢驗(yàn)方面

（1）本次檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的缺陷主要為表面裂紋，集中在內(nèi)外表面的上下級(jí)環(huán)焊縫上，因此在檢驗(yàn)方案實(shí)施的重點(diǎn)部位在上、下級(jí)環(huán)焊縫，特別關(guān)注內(nèi)外表面缺陷。

（2）在埋藏缺陷方面，對(duì)于此種厚度的球罐，采用UT+TOFD相結(jié)合的檢測(cè)方法較為適合，檢出率高、可靠性強(qiáng)，不僅定位準(zhǔn)確，在實(shí)際應(yīng)用中定性準(zhǔn)確率也較高。

（3）如果返修過程中出現(xiàn)裂紋在打磨時(shí)發(fā)生擴(kuò)展，這說明該材料對(duì)裂紋的敏感性很強(qiáng)，返修難度較大，因此要嚴(yán)格控制返修的次數(shù)和深度，返修方案應(yīng)經(jīng)過嚴(yán)格審查以確保返修質(zhì)量。

6 結(jié)論

（1）球罐在制造安裝焊接過程中，焊工未嚴(yán)格按照焊接工藝進(jìn)行焊接，球罐的焊后熱處理未達(dá)到預(yù)期要求，環(huán)向焊縫的焊接難度大于縱向焊縫，環(huán)向焊縫的焊接線能量較小，焊接速度大，冷卻速度大，焊接過程中熱分布的不均勻性，這幾點(diǎn)是導(dǎo)致球罐焊縫開裂，且環(huán)向焊縫缺陷數(shù)量較多的原因。

（2）在球罐建造安裝階段，嚴(yán)把球殼板原材料和制造質(zhì)量，嚴(yán)格按照經(jīng)焊接工藝評(píng)定的工藝進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組焊，焊接結(jié)束后按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，滿足以上幾點(diǎn)可以消除制造階段的焊縫裂紋；在定期檢驗(yàn)階段，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注球罐焊縫的薄弱部位，例如上、下級(jí)環(huán)焊縫，重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)外表面缺陷，同時(shí)注重返修的次數(shù)和深度。