球罐裂紋的成因分析及預防措施

石 巖 榮慶洪 高書明 錢 冰 楊文安

（淄博市特種設備檢驗研究院 淄博 255000）

1 概述

2020年，筆者單位對某化工廠氮氣球罐進行了定期檢驗，球罐火三帶板混合式，完工日期火2010年5月，投用日期火2011年2月，制造標準火GB 150—1998《鋼制壓力容器》[1]、GB 12337—1998《鋼制球形儲罐》[2]、GB 50094—1998《球形儲罐施工及驗收規范》[3]。球罐的基本參數見表1。

表1 球罐的基本參數

球罐安裝的基本情況如下：《施焊記錄》中，焊縫進行了焊前預熱，預熱溫度火“123～126 ℃”，層間溫度火“＞125 ℃”；《焊縫消氫處理記錄》中，焊縫進行了消氫處理，加熱溫度火“219～230 ℃”，保溫時間火1 h；球罐做橫焊、立焊和平焊加仰焊位置的產品焊接試板各1塊；安裝完成后進行了焊后熱處理，熱處理溫度火560±20 ℃，保溫時間火2 h；熱處理后，A、B類焊接接頭進行了γ射線（銥192）全景曝光檢測，比例100%，并進行了超聲復查，檢測比例20%，A、B、D、E類焊接接頭進行了100%磁粉檢測，球罐耐壓試驗后對A、B、D、E類焊接接頭進行了20%磁粉檢測復查。

本次定期檢驗的主要檢驗項目火宏觀檢查、測厚、內表面焊縫100%熒光磁粉檢測、外表面焊縫20%黑磁粉檢測、焊縫50%超聲檢測、焊接接頭硬度檢測、柱腿與球殼板間焊接接頭滲透檢測、柱腿鉛垂度檢測，其中，內表面焊縫100%熒光磁粉檢測時，在球罐下極板焊接接頭、赤道帶與上、下極板間環向焊接接頭內表面熔合線處以及該環向焊接接頭組焊時的定位塊焊疤處發現了43條裂紋，多數裂紋長度小于20 mm，深度約1～3 mm，裂紋最長約42 mm，深約4 mm（氮氣球罐內表面裂紋部位示意圖如圖1所示，裂紋形態及分布見圖2），而赤道帶球殼板縱向焊接接頭、赤道帶與上、下極板間環向焊接接頭外表面均未發現裂紋，發現裂紋后，對裂紋處的焊接接頭附近補充了超聲檢測、硬度檢測，對赤道帶球殼板縱向焊接接頭、赤道帶與上、下極板間環向焊接接頭進行了殘余應力測試。

圖1 氮氣球罐內表面裂紋部位示意圖

圖2 裂紋形態及分布

經宏觀檢查，球罐的內外部未見明顯腐蝕，氮氣球罐實測最小厚度火43.71 mm（名義厚度火43 mm），球罐介質火氮氣，不存在應力腐蝕開裂條件；同時Q370R不屬于沉淀強化材料，不具有再熱裂紋傾向。從裂紋產生的部位和形態看，裂紋大多分布于熔合線上，逐步向熱影響區擴展，裂紋端部無分叉現象，符合冷裂紋中的焊趾裂紋特征。焊接冷裂紋是接頭冷卻到Ms溫度線下產生的一種裂紋，裂紋大多在熱影響區，通常源自熔合區粗大晶粒的晶界交錯處。冷裂紋有些出現在焊接過程中，但較多的是在焊后延遲一段時間才產生，所以冷裂紋又叫作延遲裂紋。冷裂紋形成一般火鋼材的淬硬傾向、擴散氫及接頭所承受的拘束應力三者共同作用的結果。本文從鋼材的淬硬傾向和焊接性、熔敷金屬擴散氫含量及焊接接頭殘余應力3個方面入手，結合定期檢驗的數據和結果，以及球罐安裝時的質量證明材料，分析了裂紋產生的原因。

2 球罐裂紋原因分析

2.1 鋼種的淬硬傾向和焊接性

Q370R火壓力容器用鋼，屬低合金高強鋼，具有良好的綜合機械性能，廣泛用于各種球罐的制造，以下通過計算Q370R的碳當量和冷裂紋敏感性指數，來評價Q370R的淬硬傾向和焊接性。球殼材料采用Q370R正火鋼板，壁厚火43 mm，執行標準GB 713—2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》[4]，表2、表3火氮氣球罐用Q370R鋼板的化學成分（熔煉分析）、力學性能和工藝性能。

表2 氮氣球罐Q370R鋼板的化學成分(熔煉分析)

表3 氮氣球罐Q370R鋼板的力學性能和工藝性能

●2.1.1 Q370R碳當量

按國際焊接學會推薦的碳當量公式CE（ⅡW）計算Q370R碳當量[5]，見式（1）：

說明鋼板Q370R焊接性稍差，具有一定的延遲裂紋傾向，焊前需適當預熱。

●2.1.2 冷裂紋敏感指數

冷裂紋敏感指數是根據鋼材化學成分、氫含量和接頭拘束力等數值的計算，來間接判斷鋼的焊接性的一種方法，主要是判定鋼的冷裂紋傾向大小。冷裂紋敏感指數越大，說明鋼在焊接時產生冷裂紋的傾向越大，其焊接性就越差。冷裂紋敏感性指數Pc（%）是應用較多的冷裂紋判據，其與擴散氫含量、板厚、根部裂紋敏感性的關系見式（2）[5]：

式中：

［H］——熔敷金屬擴散氫含量，mL/100g，因氮氣球罐所用焊條J557的質量證明書中缺少熔敷金屬擴散氫含量，此處按標準GB/T 5118—1995《低合金鋼焊條》[6]，取焊條J557熔敷金屬擴散氫含量規定值的中間數3mL/100g；

δ——被焊金屬的板厚，氮氣球罐的壁厚δ火43 mm；

Pcm——冷裂紋敏感性系數，%。

代入氮氣球罐用Q370R鋼板的實際數據，計算Pcm[5]，見式（3）：

所以，Q370R冷裂紋敏感指數Pc=Pcm+[H]/60+δ/600=0.397 5 ≥ 0.25[5]。

通過以上分析，得出Q370R存在一定淬硬傾向和焊接冷裂紋傾向，焊接時應采取焊前預熱、焊后緩冷的措施。

2.2 擴散氫的影響

導致接頭產生冷裂紋的氫主要是擴散氫，當焊條烘干不充分，或者焊接區域（坡口及兩側20 mm范圍）的油、銹、水清理不徹底，油、銹、水會在電弧的高溫作用下分解火氫原子，由于氫原子直徑小，氫原子在金屬晶格內移動，在缺陷、金屬空穴、位錯中積聚成氫分子，產生氫內壓，最終在焊接殘余應力的作用下，產生冷裂紋。氮氣球罐Q370R間焊接采用的焊條火J557，其質量證明書中執行標準火GB/T 5118—1995，而未采用標準JB/T 4747—2002《壓力容器用鋼焊條訂貨技術條件》[7]，也未按設計圖紙要求，采用超低氫高韌性焊條J557RH。焊條J557RH（標準JB/T 4747—2002）相對于J557（標準GB/T 5118—1995），增加了S、P含量、-40 ℃時的沖擊吸收能量、熔敷金屬擴散氫含量等控制要求，在拉伸伸長率、藥皮含水量、焊條偏心度等方面也提高了要求（見表4、表5）。以焊條J557代替J557RH，會導致以下結果：

表4 焊條J557、J557RH及氮氣球罐用J557熔敷金屬化學成分 %

表5 焊條J557、J557RH及氮氣球罐用J557熔敷金屬的力學性能和工藝性能

1）焊條J557的型號火E 5515-G，只要1個元素符合表4中GB/T 5118—1995的規定即火合格，且標準對J557焊條S、P含量不做要求[6]，熔敷金屬中的S、P含量一般會增大，焊縫開裂的可能性增加。

2）焊條J557RH一般通過增加Ni含量，提高熔敷金屬的沖擊吸收能量，降低焊接時的預熱溫度，而采用J557，對熔敷金屬V型沖擊功不做要求，焊接接頭的沖擊韌性往往會降低。

3）標準GB/T 5118—1995中，熔敷金屬擴散氫含量不是必做的檢測項目，氮氣球罐用焊條J557質量證明書中缺少熔敷金屬擴散氫含量的數據，只有藥皮含水量指標（0.22%），雖然符合標準GB/T 5118—1995的要求，但低于標準JB/T 4747—2002中焊條J557RH藥皮含水量的規定，這會增加熔敷金屬擴散氫含量，加大冷裂紋產生的可能性。

2.3 焊接接頭的殘余應力

●2.3.1 殘余應力測試

采用金屬應力集中磁記憶檢測儀（型號：ZSG3026）對赤道帶球殼板縱向焊接接頭、赤道帶與上、下極板間環向焊接接頭進行了殘余應力測試。其應力集中情況見圖3～圖5。從圖中看出，赤道帶與上、下極板間環向焊接接頭磁場強度的變化比赤道帶球殼板縱向焊接接頭要強烈得多，表明赤道帶與上、下極板間環向焊接接頭存在更大的應力集中。

圖3 赤道帶與下極板間環向焊接接頭的磁場強度（圖1中X處）

圖4 赤道帶球殼板縱向焊接接頭的磁場強度（圖1中Y處）

圖5 赤道帶與上極板間環向焊接接頭的磁場強度（圖1中Z處）

●2.3.2 硬度檢測

硬度檢測（采用便攜式里氏硬度計，型號：瑞士博勢Equotip550）數據見表6。

表6 赤道帶與上、下極板間環向焊接接頭的硬度值

從表6看出，焊縫的硬度值明顯高于母材和熱影響區，赤道帶與上、下極板間環向焊接接頭內側硬度值達到了200 HB，局部硬度甚至達到了250 HB，裂紋處的焊縫硬度明顯偏高，表明焊后熱處理的效果不夠充分，赤道帶與上、下極板間環向焊接接頭內側存在較大的殘余應力。

●2.3.3 裂紋產生的部位和熱處理的影響

由圖1看出，氮氣球罐內側上、下極板與赤道板間焊接接頭組對定位塊焊疤未清除干凈，焊疤熔合線處存在裂紋S36～S43（如圖1所示），定位塊焊縫不是受壓焊縫，在役工況沒有應力腐蝕開裂的機理，出現裂紋表明上、下極板與赤道板間接頭焊接時可能存在強力組裝，這與殘余應力測試結果可以相互印證。

對球罐產生裂紋的部位進行了統計，見表7。

表7 球罐產生裂紋的部位統計

查閱球罐安裝資料后確定所檢球罐采用柴油內部燃燒加熱法（直燒法）進行熱處理，其傳熱方式主要通過對流和熱輻射，球罐直燒法熱處理溫度場分布參照圖6（a）[8]，可以看出，球罐罐壁頂部溫度最高，底部溫度最低，且球罐罐壁溫度分布不均勻。在氮氣球罐熱處理報告中，其升溫速度火52 ℃/h，保溫溫度火560±20 ℃，保溫時間火2 h，降溫速度火48 ℃/h，從熱電偶分布圖（如圖7所示）中看出，該球罐熱處理過程中布置了12個測溫點，但赤道帶與下極板環向焊接接頭及下極板處熱處理溫度較低區域只布置了1個測溫點，數量偏少。同時，該球罐未按照GB 50094—1998的要求，在產品焊接試件（3件）上布置測溫點。球罐產品質量證明書中，熱處理曲線只有5條，且無法確定這5個測溫點的位置，熱處理曲線未標注記錄紙的走紙速度，也無法確定熱處理保溫時間。通過定期檢驗發現，球罐下部區域產生的裂紋明顯多于上部區域，對照圖6（a）和表7，可以看出，裂紋較多的球罐下部區域正是熱處理溫度較低區域，由此推斷球罐下部區域進行的熱處理并不充分，該區域焊接接頭仍存在較大的殘余應力。

圖6 球罐熱處理6000S溫度場分布

圖7 熱電偶分布圖

如果采用帶中心孔導流傘法進行球罐熱處理，球罐罐壁溫差較小，消除焊后殘余應力的效果較好，其溫度場分布如圖6（b）所示[8]。

●2.3.4 焊接次序的影響

查看安裝單位的施焊記錄，該球罐先焊接赤道帶球殼板的縱向焊接接頭，再焊接赤道帶與上、下極板間環向焊接接頭，焊接采用不對稱X型坡口，每個接頭先焊外側，再焊內側。這種焊接次序造成這些焊縫的外側焊道拘束度較小，焊接冷卻收縮時，能夠相對自由的收縮，產生的殘余應力較小，而赤道帶與上、下極板間環向焊接接頭內側焊道是最后施焊的，此時整個球罐的剛度和拘束度已經非常大，焊接收縮的自由度較小，產生的焊后殘余應力較大，容易產生冷裂紋缺陷。這與定期檢驗過程中磁粉檢測的結果是可以相互印證的。焊接時應采用對稱、同步施焊，使焊縫收縮均勻，減少焊接應力。但球罐的施焊記錄中，未體現對稱、同步施焊、分段退焊的內容。

●2.3.5 安裝時氣溫的影響

赤道帶與上、下極板間焊接接頭AF、AG的焊接日期火2009年12月25日至30日，球罐熱處理日期火2010年1月15日，那時球罐安裝地處于冬季最冷的時間，最低溫度可達零下十幾攝氏度，可能會對焊前預熱、層間溫度、消氫處理、焊后熱處理產生不利影響，從而導致球罐產生焊接冷裂紋。查看了球罐焊后消氫處理記錄，加熱溫度大約火220～230 ℃，保溫時間火1 h，雖然符合工藝要求（消氫處理的加熱溫度要求火200～350 ℃，保溫1 h），但根據實際經驗，應考慮氣溫的影響，適當提高消氫處理的加熱溫度和保溫時間，并改善保溫措施。

●2.3.6 未及時發現裂紋的原因

球罐安裝完畢后，之所以未能及時發現裂紋缺陷，可能存在以下原因：

1）冷裂紋有延遲開裂的特性。

2）由于球罐壁厚較大，工件表面至膠片的距離L2較大，當采用源在內中心透照時，由于幾何不清晰度的影響，射線檢測對內表面的裂紋檢出率不高。

3）射線檢測火γ射線（銥192）全景曝光，由于散射線的影響，底片的灰霧度較高，靈敏度降低，缺陷檢出率下降。

4）最初延遲裂紋較細小，在工作應力和焊后殘余應力的聯合作用下，裂紋得以擴展。

焊接接頭殘余應力測試、硬度檢測的數據及組對定位塊焊疤裂紋的產生，說明球罐焊接接頭區域，特別是赤道帶與上、下極板間環向焊接接頭存在較大的殘余應力。同時低溫天氣也會對焊前預熱、消氫處理、焊后熱處理產生不利影響，加上球罐焊接次序中，赤道帶與上、下極板間環向焊接接頭內壁最后施焊，拘束度最大，焊后殘余應力也最大。

最終在鋼材的淬硬傾向、熔敷金屬擴散氫及接頭的焊后殘余應力三者共同作用下，加上工作應力的疊加，最終導致焊接接頭的開裂和擴展。

3 預防措施

針對以上分析，對球罐安裝提出以下預防措施：

1）嚴格按球罐安裝工藝施工，提高球殼板組裝精度，避免強力組對，減少組裝應力；球罐焊接應遵循“多焊工，均勻分布，同工藝，等速度”的原則，赤道板縱向焊接接頭自下而上，赤道板與上、下極板間環向焊接接頭自左向右，多名焊工間隔相同距離，同步對稱施焊，同時采用分段退焊，盡可能讓焊縫冷卻時能夠自由的收縮，以減少焊接殘余應力。

2）對于具有淬硬和焊接冷裂紋傾向鋼種，應嚴格按焊接工藝進行焊前預熱，中間采取不間斷施焊，焊后立即消氫處理。施焊赤道板與上、下極板間環向焊接接頭時，由于是最后施焊，拘束度較大，預熱溫度、消氫處理的加熱溫度、保溫時間應適當提高，防止冷裂紋的產生。

3）球罐熱處理應采用帶中心孔導流傘法代替直燒法[8]，減少球罐熱處理溫差，改善焊接接頭的應力狀況。

4）對于具有淬硬傾向的材料，應采用符合標準NB/T 47018.1～47018.5—2017《承壓設備用焊接材料訂貨技術條件》[9]的高韌性、超低氫焊條施焊，并嚴格按焊條說明書的要求進行儲存、烘干、保溫、使用，以減少熔敷金屬中的S、P含量及擴散氫含量。

5）焊件溫度低于-20 ℃時禁止施焊，在-5 ℃以下焊接作業時，應嚴格控制預熱溫度、層間溫度、后熱處理及保溫措施，以保證焊接接頭的質量。

4 結論

綜合以上分析，得到以下結論：

1）定期檢驗過程中，采用磁粉檢測發現Q370R氮氣球罐內部存在多處裂紋，開裂部位集中于上、下極板與赤道板間環向焊接接頭內側焊道，大部分在熔合線處開裂，火了探究裂紋產生的原因，現場增加了磁記憶檢測和硬度檢測，發現了開裂部位存在應力集中和硬度值較高的現象。

2）結合球罐安裝資料，從球罐的材質、焊接、熱處理等方面進行了分析。首先計算了球罐鋼材的碳當量和冷裂紋敏感指數，得出Q370R存在一定淬硬和焊接冷裂紋傾向；其次發現球罐焊接時未按設計要求采用高韌性、超低氫壓力容器專用焊條，可能造成熔敷金屬中S、P含量及擴散氫含量增加，加大了冷裂紋產生的可能性；同時分析焊接次序和熱處理效果，發現球罐上、下極板與赤道板間環向焊接接頭在焊接過程中可能因焊接次序導致組對后的殘余應力較大，且下部焊縫熱處理效果可能不達標，導致焊接殘余應力過高。以上分析都與定期檢驗過程中發現的裂紋位置相吻合。

3）分析了安裝時環境溫度對焊接質量的影響，提出了在高強鋼焊接時，需要考慮環境溫度，適當提高消氫處理的加熱溫度和保溫時間，并改善保溫措施。

4）球罐裂紋的產生是由鋼材的淬硬傾向、熔敷金屬擴散氫、接頭焊接殘余應力造成的，工作應力導致其擴展。

5）對應裂紋產生的原因，從選材、焊接和熱處理等方面提出了預防措施。