儲運裝置石腦油球罐焊縫裂紋問題分析探討

摘要：檢驗人員在對福建某石油化工有限公司儲運裝置加氫裂化石腦油球罐定期檢驗過程中，發現球罐內表面焊縫和熔合線位置上存在大量的表面裂紋缺陷。利用各項檢驗檢測結果，結合球罐介質運行環境和焊縫應力分布等進行裂紋分析，證實表面裂紋屬于濕硫化氫環境中產生的硫化物應力腐蝕裂紋。根據實際檢驗情況和原因分析，提出球罐在濕硫化氫環境運行的防護措施，確保石油化工設備安全運行。

關鍵詞：球罐；濕硫化氫；應力腐蝕開裂；檢驗檢測

Analysis and Discussion on Weld Crack of Naphtha Spherical Tank of Storage and Transportation Unit

ZHENG "Jinhang

（ Fujian Boiler and Pressure Vessel Inspection "Institute，Fuzhou 350008， Fujian， China ）

Abstract： During the regular inspection of a hydrocracking naphtha spherical tank in the storage and transportation unit of Fujian Petrochemical Co.， LTD， inspectors discovered a large number of surface crack defects on the weld seam and fusion line positions on the inner surface of the spherical tank. By utilizing various inspection and testing results， and considering the operating environment of the thank’s medium and the stress distribution of the welds ， a crack analysis was conducted. It was confirmed that the surface crack were sulfide stress corrosin cracks produced in a wet hydrogensulfide environment. Based on the actual inspection situation and cause analysis， this article proposes protective measures for the operation of spherical tanks in a wet hydrogen sulfide environment to ensure the safe operation of petrochemical equipment.

Key Words： Spherical tank; Wet hydrogen sulfide; Stress corrosion cracking; Inspection and testing

0引言

近年來，隨著石油化工行業的高速發展，儲運裝置的半成品和成品球罐數量增多，球罐在定期檢驗過程中發現的問題越來越多，其中裂紋缺陷居高。儲運裝置中的球罐盛裝的介質多數是易燃易爆產品，而裂紋是球罐中最危險的一種缺陷，它是導致球罐發生爆炸、泄漏等的主要因素，嚴重威脅著人員生命財產安全，影響企業經濟效益，因此對裂紋的分析探討和減少事故的發生具有十分重要的意義。

1設備基本信息和運行情況

福建某石油化工公司儲運裝置石腦油球罐在2009年9月投入生產使用，球罐的主要技術參數見表1。球罐焊縫布置示意圖見圖1。

該球罐盛裝的加氫裂化輕石腦油介質高度在5～12m之間，在日常的操作運行過程中未出現異常狀況，上次全面檢驗時間是2019年8月，檢驗結論是內表面存在裂紋，已打磨消除。

2檢驗檢測情況

2022年7月，福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院對該球罐開展定期檢驗，檢驗人員根據球罐的運行記錄、介質成分、年度檢查報告、竣工資料和上次定期檢驗報告編制檢驗方案、檢驗項目和檢測比例，檢驗項目有：宏觀檢查、壁厚測定、磁粉檢測、超聲波檢測、安全附件檢查，對缺陷部位增加TOFD檢測、硬度檢測、金相分析、應力分析等檢測項目。壁厚測定應覆蓋每一塊球殼板，數量不少于5個點，重點檢測液位波動部位和上次檢驗減薄部位。磁粉檢測部位為內表面對接焊縫100 %檢測和外表面對接焊縫20 %檢測（覆蓋所有交叉焊縫），所有接管角焊縫100 %檢測，所有支柱與球殼板角焊縫100 %檢測。超聲檢測部位為外表面對接焊縫20 %檢測（覆蓋所有交叉焊縫、安裝時返修部位及上次檢驗發現缺陷部位）。

宏觀檢查球罐本體、接管和焊縫部位未發現腐蝕、變形、泄漏、鼓包、機械損傷等現象。球罐支柱和基礎未發現下沉、傾斜、開裂等，緊固螺栓完好，球罐支柱的鉛垂度符合要求。內表面環焊縫存在咬邊，咬邊深度為0.5～1.0 mm，主要分布在上溫帶與上極板相連接的環縫（BF縫）和上溫帶與赤道帶相連接環縫（AB縫）。

磁粉檢測發現球罐內表面上溫帶與上極板相連接的環縫（BF縫）整圈焊縫上、下熔合線以及上溫帶與赤道帶相連接環縫（AB縫）部分焊縫上、下熔合線存在大量表面裂紋（見圖2）。裂紋沿焊縫熔合線呈縱向分布，少量裂紋延伸至母材呈樹枝狀（見圖2），裂紋的起始部位較粗寬，沿裂紋擴展部位較細窄。

對焊縫進行超聲波檢測，選用2.5Z20×20K1.5和2.5Z20×20K2.5斜探頭對外表面對接焊縫20 %檢測，檢測結果環焊縫上發現埋藏深度27～32 mm的超標缺陷，缺陷反射波幅SL+25dB。選用2.5Z20N單晶直探頭對裂紋部位的母材區域進行檢測，檢測結果顯示，裂紋部位的母材未發現分層和內部鼓包等缺陷。

對裂紋部位的焊縫采用TOFD檢測，檢測面在環焊縫外表面，主要檢測焊縫和熔合線兩側各10 mm，檢測結果共發現32處Ⅲ級下表面開口裂紋，裂紋高度3～7.5 mm，部分表面開口裂紋TOFD檢測圖譜見圖3。

對裂紋部位的焊縫、熱影響區和母材進行硬度檢測，檢測的位置見圖4，檢測的測點取5次檢測值的平均值作為硬度檢測的測量值，硬度檢測的具體測量值見表2。焊縫和熱影響區硬度值高于母材16 MnR的標準值。

現場使用便攜式金相檢測儀對裂紋部位進行金相組織分析，焊縫兩側的母材區域金屬組織相同顆粒度正常，晶界清晰，金相組織為：鐵素體+珠光體（見圖5）。發現焊縫熔合線區金屬組織顆粒遠比母材金屬粗大，晶界模糊，裂紋呈穿晶及沿晶開裂（見圖6）。

采取便攜式X射線應力分析儀抽取BF環焊縫5處進行殘余應力分析，殘余應力值見表4。數值表明球罐安裝完成后即使經過整體熱處理焊縫仍然存在殘余應力。

3裂紋的原因分析

3.1介質濕硫化氫溶度分析

石腦油中硫化氫濃度也是極為重要的腐蝕影響因素。通過翻閱歷年儲運裝置石腦油的硫化氫含量和水含量檢測數據，匯總數據見表5。HG/T 20581-2020《鋼制化工容器材料選用規定》中6.8.2條指出當化工容器接觸的介質中含有游離水，且硫化氫溶度大于50 mg/L時，稱為濕硫化氫環境[1]。當液相中硫化物溶度大于50 mg/L，潮濕氣相中硫化氫分壓大于等于0.3 kPa時濕硫化氫破壞容易發生，分壓越大，敏感性越高。從表中可知該球罐盛裝的石腦油介質中的硫化氫溶度遠超標準定義的要求，因此球罐處在濕硫化氫環境中，石腦油中的硫化氫溶度越大硫化物應力腐蝕開裂敏感性越高。

3.2介質溫度的影響

石腦油球罐使用溫度處在常溫狀態，16 MnR材料在濕硫化氫環境中的穩定性與溫度的關系相當復雜[2]，GB/T 30579-2022《承壓設備損傷模式識別》中5.7.4條指出硫化物應力腐蝕開裂通常在82 ℃以下[3]，最容易發生開裂的溫度在0～65 ℃之間，所以球罐的運行溫度構成濕硫化氫腐蝕開裂的環境。

3.3硬度導致開裂的原因

硬度是控制硫化物應力腐蝕開裂的主要因素之一，在焊縫熱影響區和高硬度表面區硫化物應力腐蝕開裂開始萌生，沿厚度方向擴展。從硬度檢測中明顯看出焊縫和熱影響區的硬度值已經超過材料抗硫化物應力腐蝕開裂的最高硬度要求。當硬度值高于200 HB（布氏硬度）時焊縫和熱影響區的韌性會有明顯下降，韌性下降會導致濕硫化氫中的氫原子滲透到鋼的內部，溶解于晶格中，導致脆化，大大降低焊縫和熱影響區中碳化物與機體的結合強度，從而萌生裂紋導致開裂。

3.4應力導致開裂的原因

16 MnR材料屬于低合金鋼，硫化物應力腐蝕開裂的條件要使應力水平達到鋼板屈服極限后才會發生，應力是造成腐蝕開裂的最主要因素，會大大影響腐蝕開裂的發生幾率和裂紋伸展速度[4]。球罐通常在現場組裝焊接，最后組裝的環焊縫都采用強力組對，否則錯邊和棱角度會嚴重超標，因此在環焊縫上存在冷加工變形的殘余應力。焊接時環焊縫最后焊接，焊縫長度長，現場冷卻速度較快，鋼板厚焊接次數多，因此焊縫應力狀態復雜，特別是最后焊接的環焊縫存在較大殘余應力。環焊縫上存在咬邊，咬邊會大大削弱焊縫連接的強度，球罐運行后在內壓力作用下，咬邊處的垂直于焊縫的應力集中會比設計應力大2～4倍，因此球罐在運行后環焊縫的諸多應力使硫化物應力腐蝕開裂成為擴展的核心部位。

4裂紋缺陷的處理

根據TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》中8.5.4條要求，球罐內、外表面不允許有裂紋。因此在檢驗過程中發現裂紋應打磨消除，并用磁粉檢測確認已無裂紋為止。打磨后形成的凹坑在允許范圍內不需要補焊和不影響定級。超過允許深度的需要補焊修理，補焊修理單位取得相應資質的單位，按照相關安全技術規范和設計資料的要求，建立質量保證體系并且有效實施[5]。修理方案應當經過原設計單位或具備相應能力的設計單位書面同意，修理后保證結構和強度滿足安全使用要求[5]。補焊修理后應對補焊的焊縫進行無損檢測。無損檢測合格后，進行局部焊后熱處理，加熱溫度，保溫時間等應嚴格按照GB/T 30583-2014《承壓設備焊后熱處理規程》執行，球殼板內外側均進行保溫，確保球罐表面產生過大的溫差。補焊修理后應控制焊縫和熱影響區的硬度不超過200 HB（布氏硬度）。

5濕硫化氫環境下的防護措施

5.1生產工藝的控制

目前國內加工的原油大部分為高硫原油，高溫硫腐蝕幾乎貫穿整個煉油過程[6]。石腦油提煉時首先要進行脫硫處理保證后續工藝中硫化氫的含量，提煉過程中要嚴格按照生產工藝的標準和設計規范進行，可以通過新的工藝在裝置中增加脫硫和脫水設備，盡可能降低石腦油中硫化氫和水的含量。在條件和工藝允許的情況下可以在球罐中注入緩蝕劑，可以減緩球罐受硫化物應力腐蝕風險。

5.2合理選材

在濕硫化氫環境中服役的鋼材對強度硬度、金相組織、化學成分有要求。材料標準規定的屈服強度下限值ReL≤355 MPa，實際抗拉強度Rm≤630 MPa，材料硬度不超過HB235（布氏硬度），具體材料硬度限制可查看HG/T 20581-2020《鋼制化工容器材料選用規定》中表6.8.2條相關要求。材料使用狀態應至少為正火、正火+回火或調質等，材料中不得添加鉛、硒等元素。選用合適的鋼材有利于抵抗濕硫化氫環境破壞。

5.3應力的控制

球罐在現場組裝焊接后焊縫上產生大量的殘余應力，焊縫上的咬邊會使運行后的應力集中，這些應力的存在是發生硫化物應力腐蝕開裂的必要條件。球殼板在組對過程應盡量控制對接的尺寸，減少環焊縫組對后的殘余應力。球罐焊縫金屬對焊接熱輸入量較敏感，因此應嚴格控制焊接電流、焊接速度，控制焊接熱輸入量不得超過焊接工藝評定報告上的最大值，減緩冷卻速度，能夠抑制焊接殘余應力。球罐整體熱處理是為了消除球罐組焊產生的殘余應力，改變焊接金相組織，提高金屬的韌性和抗拉能力，防止應力腐蝕裂紋的產生。

5.4檢驗檢測技術

球罐在濕硫化氫環境下使用很容易出現一定程度的損傷，因此在定期檢驗前要嚴格制定檢驗方案，有針對性地提出檢驗項目、檢測部位、檢測比例等。對于球罐內表面的檢測，可以采用濕熒光磁粉檢測，它對裂紋有較高的檢測靈敏度，尤其在球罐內較黑暗環境下。相控陣超聲檢測技術對濕硫化氫損傷能精確測量，能夠較好區分濕硫化氫損傷和其他缺陷，得到完整的損傷三維尺寸成像數據[7]。球罐的定期檢驗能夠及時發現裂紋缺陷并消除隱患，保證球罐安全使用，提高使用壽命。

6結語

石腦油球罐環焊縫上檢驗出的大量裂紋為濕硫化氫環境下的應力腐蝕開裂。目前國內石油煉化行業大部分使用高硫原油，濕硫化氫環境下的應力腐蝕開裂基本貫穿整個煉油化工設備。可以通過優化工藝，控制介質中硫化氫的含量，合理選材，減少焊縫殘余應力等措施減緩硫化物應力腐蝕開裂。硫化物應力腐蝕開裂已經成為石腦油球罐安全運行的主要風險源，發生開裂的因素較多，因此做好球罐的全面定期檢驗十分重要，采用先進的檢測技術可以盡早發現并清除缺陷或者使缺陷的擴展控制在安全允許的范圍之內，從而預防事故發生，保證球罐的安全運行。

參考文獻

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