在役球形儲罐的焊接缺陷評定及驗證性

薛永盛, 劉鵬鵬, 姬輝, 王峰

(河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院， 鄭州 450016)

0 前言

焊接接頭是球形儲罐組裝過程中產生缺陷的主要部位之一，易存在裂紋、夾渣、氣孔、未熔合、未焊透、幾何偏差、電弧擦傷以及咬邊等缺陷。另外，球形儲罐缺陷的形成同樣受到介質環境的影響，焊接接頭處的應力腐蝕開裂也是球形儲罐失效的主要形式之一[1-2]。

目前在球罐定期檢驗過程中，超聲衍射時差法(Time-of-flight diffraction，TOFD)檢測方法已經成為必不可少的檢測手段，該檢測方法在深度尺寸定位和相應的誤差不依靠信號振幅，具有檢測精度高、可靠性好等優點。一般認為，其定量精度為±1 mm，監測裂紋的增長能力為±0.3 mm，且采集的數據可以永久保存，同時球形儲罐對接焊縫結構形式簡單。因此TOFD檢測技術特別適用于球形儲罐的檢測，同時也是有效能精確測量出裂紋增長的方法之一。

針對2010年之前安裝的球罐， TOFD抽查時經常會發現大量超標的埋藏性缺陷(制造安裝過程中無損檢測驗收標準不允許存在的缺陷)，埋藏裂紋缺陷也經常存在。這些超標缺陷一般由檢驗人員按TSG 21—2016《固定式球形儲罐安全技術監察規程》中8.5.10相關要求進行綜合評定。同時球罐的工作壓力呈周期性波動，屬交變循環載荷，是典型的低循環疲勞問題[3-4]，所以實際檢驗過程中發現球形儲罐存在需要處理的埋藏缺陷時，通常采取挖補修復的方法進行處理[5]，由于多數企業自己無法修復，必須找專業的、有維修改造資質的施工隊伍進行，不僅增加了企業的成本支出，也耽誤了企業設備的運行時間，增加了企業的負擔。

2014年以來，前后共監控了5臺有埋藏性超標缺陷的球罐，進行了驗證性試驗。同時按照GB/T 19624—2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》進行安全評定，在安全區之內的缺陷保持監控使用。其中2020年到期的1臺球罐進行了2個周期的監測，并最終解剖驗證。文中主要針對解剖的球罐案例進行了分析。

1 球形儲罐定期檢驗情況

1.1 球形儲罐的基本參數

文中以新鄉某化肥企業的液氨球形儲罐為研究對象，球形儲罐的技術參數見表1。

表1 球罐技術參數

1.2 球形儲罐的無損檢驗

球罐在2014年第2次定期檢驗中進行了TOFD檢測，檢測工藝根據NB/T47013.10—2015《承壓設備無損檢測第10部分：衍射時差法超聲檢測》進行。檢測時發現性質質疑的2處缺陷(圖1中QX1和QX2)，原始資料射線檢測報告中無相應的缺陷記錄，經現場檢驗人員估判該缺陷屬于制造安裝過程中超標埋藏缺陷，初步認定缺陷性質為裂紋類缺陷。針對這2處缺陷依照GB/T 19624—2004進行了安全評定，并與企業協商對該2處缺陷未做處理。最終該球罐安全狀況等級評定為3級，全面檢驗周期定為3年，對該部位從外表面進行TOFD檢測監測，觀察此缺陷的活動情況，同時企業保證球罐的運行參數不能提高，所檢測的缺陷情況見表2。

表2 2014年TOFD檢測缺陷情況

2 球罐的安全評定

根據TOFD檢測的數據可以看出，這2處缺陷均為埋藏裂紋缺陷。對于該球罐的安全評定，文中以QX1埋藏缺陷為例，以平面缺陷的常規評定進行闡述。

2.1 缺陷的表征處理

根據QX1的實際位置、形狀、尺寸，按照GB/T19624—2004進行規則化處理，并獲得其表征尺寸：2a=4.2 mm，2c=98 mm，因為其介質為液氨，因此缺陷表征尺寸分安全系數選取1.1，從而確定用于評定計算的表征缺陷尺寸：深度a=2.31 mm，c=53.9 mm，如圖2所示。

2.2 評定中的應力確定

在應力分安全系數選擇方面，考慮到失效的嚴重性，以及球罐的介質為液氨，具有一定的腐蝕性，其工作壓力和工作溫度相對較低，因此一次應力的應力分安全系數取1.2，二次應力的應力分安全系數取1.0，用于評定的應力為：一次薄膜應力pm= 159.248 MPa；二次彎曲應力Qb=133.544 MPa。

2.3 材料性能參數的確定

15MnNbR在設計溫度下的材料性能參數見表3[6-7]。

表3 15MnNbR在設計溫度下的性能參數[6-7]

采用CTOD斷裂韌度值估算Kc的下限值：

(1)

結果可求出Kc的值為：3 450.75 N/mm3/2。

2.4 應力強度因子KpI和KsI的計算

I型應力強度因子KI計算公式為：

(2)

(3)

(4)

其中：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：e為埋藏裂紋中心與板厚中心的偏移量；B為扣除一個評定周期的內、外壁腐蝕量后的缺陷附近容器殼體壁厚，mm。

2.5 裂紋載荷比的計算

橢圓形埋藏裂紋載荷比Lr為：

(9)

2.6 斷裂比Kr的計算

斷裂比Kr的計算公式為：

(12)

式中：G為相鄰兩裂紋間彈塑性干涉效應系數；KP為評定用材料斷裂韌度，Kp=Kc/1.2；ρ為塑性修正因子。

(13)

由于將裂紋進行規則化處理，因此不考慮缺陷間的相互影響，干涉系數G取1。

2.7 安全性評價

通過上述計算過程，計算出Kr和Lr值所構成的評定點(Lr,Kr)繪制到失效評定圖中(圖4所示)，QX1，QX2兩處埋藏裂紋缺陷均在評定圖的安全區域內，因此該球罐可以在缺陷不處理的情況下安全運行。

3 缺陷監測的實施過程

在定期檢驗過程中，對球罐埋藏缺陷的檢測主要是通過內表面掃查進行。待發現球罐存在超標埋藏缺陷后，在線監測實施過程則是通過TOFD從球罐外表面對缺陷處進行在線監測。通過測量埋藏缺陷的指示長度、自身高度和埋藏深度來測定埋藏性缺陷在實際使用過程中的活度。監測周期根據缺陷的活度來調整，若缺陷為非活動缺陷則延長缺陷的監測周期，若缺陷為活動性缺陷增加監測的頻率，并根據缺陷活性變化情況及時對球罐進行修補。

現場采用了HS810設備對相應的缺陷在外表面進行了TOFD檢測。針對監測的缺陷，為保證檢測精度采取如下檢測工藝:①為防止鍥塊長期使用產生磨損及探頭頻率影響檢測結果，在線監測還配備了專用的探頭，探頭的頻率為5 MHz、晶片直徑φ6 mm、鍥塊角度63°。②為保證每次監測數據的誤差降至最低，采用同樣的探頭間距70 mm(探頭聲束交點為監控缺陷部位)。監控檢測前均采用TOFD-B對比試驗進行了校準，深度顯示偏差控制不大于1 mm，其他技術參數嚴格按照標準要求。③為保證檢測結果評定誤差的影響，監控的檢測及評定均為同一人員。

在線檢測的具體實施時間軸分布如圖5所示。通過長達6年的TOFD監測，發現該球罐的2處缺陷的指示長度，自身高度，埋藏深度均未明顯變化，考慮到綜合誤差，可以認為2處缺陷沒有延展，都屬于非活動性的。2017年和2020年兩個節點的缺陷數據基本情況見表4。

表4 缺陷基本情況

2020年在進行第4次定期檢驗時，受環保原因業主停機時間長，雙方協商對該部位進行了解剖。

現場缺陷解剖采用兩種方式進行，QX1采取磨光機打磨方式，QX2采用碳弧氣剖方式進行缺陷的解剖處理，缺陷TOFD監測部分圖譜及解剖后情況如圖6所示。由圖6可以直觀的看出兩處缺陷的性質均為裂紋，與TOFD檢測結果一致。在缺陷參數測量方面，由于現場解剖條件限制，兩種解剖方式均難以確定缺陷自身高度和埋藏深度。在指示長度測量方面，采取左右端點最遠距離確定缺陷長度，最終QX1長度測量為89 mm，與TOFD檢測結果綜合誤差為8.2%，QX2測量長度67 mm，與TOFD檢測結果綜合誤差為6.9%。解剖后缺陷測量長度與檢測值差距不大。

4 裂紋產生及未擴展的原因分析

現場發現的超標缺陷均出現在球罐的環焊縫位置，其埋藏深度均在清根部位，前后端點埋深深度相差較小，且自身高度與焊條直徑接近，初步推斷該部分缺陷為原始缺陷。以近些年現場球罐制造安裝及定期檢驗的經驗來看，球罐安裝過程中產生的焊接裂紋往往在環焊縫定位焊的位置[8]。造成這種問題的原因在于現場組焊過程中清根不到位，缺陷很容易遺留在焊縫中。

由于現場點焊操作存在不規范的因素，以及先縱縫后環縫的焊接順序，這就不可避免的存在環焊縫應力集中現象，造成環焊縫局部點焊位置開裂，且大多點焊位置都熔于永久焊縫中，后期無損檢測是否合格來決定最終質量[9]。綜上所述，文中分析這2處缺陷極有可能是定位焊位置清根不干凈的原因引起。

通過查閱安裝資料顯示，該球罐在制造安裝中對接焊縫采用了100%γ射線中心曝光。文中案例中所涉及的缺陷未在原始無損檢測報告中體現。主要是因為γ源檢出率并不是很高，尤其是球罐的全景曝光，在裂紋方向與射線照射方向之間存在一定的夾角的同時，隨著壁厚的增大，射線檢測靈敏度下降，存在漏檢的可能[10]。而對于TOFD檢測來說，其檢測靈敏度高，對該類缺陷檢測率也比較高。目前GB12337—2014《鋼制球形儲罐》中已經明確規定不宜采用γ射線全景曝光射線檢測。綜上所述，有可能是受當時射線檢測方法的局限性，未發現該處缺陷。

該案例中的裂紋在4個定檢周期內未明顯擴展與定位焊位置的裂紋特點也有一定關系。首先定位焊先于正式焊，后期焊接過程將前期裂紋的尖端特性消熔，使其裂紋尾部變圓鈍，導致裂紋不再繼續擴展，形成所謂的封閉性裂紋[11]。在實際的檢測中也可通過缺陷圖譜(圖6TOFD圖譜)觀察到兩端沒有明顯的尖端顯示。

近幾次定期檢驗中內表面環焊縫位置表面檢測時未發現相關焊縫及熱影響區的裂紋，排除應力腐蝕裂紋的可能性。同時球罐使用年限近15年，應力釋放趨于平穩，初始裂紋的擴展速度慢，甚至不擴展[12]。

5 結論

(1)對于球形儲罐定期檢驗過程中發現的超標埋藏裂紋缺陷可依據GB/T 19624—2014進行安全評定，根據評定結果和實際檢驗情況進行綜合判定，并對裂紋進行選擇性修補。

(2)對于未修補的埋藏裂紋缺陷可定期采用TOFD進行在線監測，根據缺陷擴展情況制定具體檢驗方案。

(3)在滿足生產工藝的前提下，對于含有超標埋藏裂紋缺陷的球罐在線監控，使用單位應當盡量穩定球罐的使用參數。