氧气球罐裂纹的分析及检验建议

袁卫东，罗俊勇

（乐山市特种设备监督检验所，四川 乐山 614000）

一、概况

四川德胜集团钢铁有限公司3#1 000m3氧气球罐用于储存钢铁生产所需的中压氧气，保证氧气输出压力稳定。该球罐球壳板于2009年投用，球罐的有关技术参数见表1。

表1 氧气球罐技术参数

二、裂纹的基本情况

该球罐于2010年10月进行首次开罐全面检验。对球罐进行磁粉检测，共发现七条表面裂纹，均分布在焊缝热影响区，长度8～20mm不等。

裂纹位于赤道带与下极带环缝的内表面热影响区。根据裂纹磁痕判断，该裂纹应当具有一定的深度。为给制定裂纹的修复方案提供更多的信息，采用超声波方法对裂纹进行了检测。分别采用K1、K1.5、K2的探头对该裂纹进行扫查，回波信号具有如下特点：回波当量不高，采用K1、K2探头时回波当量仅位于定量线上4～6dB，K1.5探头回波在定量线上下波动；最大指示长度与磁痕显示长度大体相当；反射信号具有明显的游动回波特征，在一次波附近和34mm左右深度处回波出现极大值。根据超声波检测情况看，裂纹自身高度大于12mm，已超过TSGR7001-2004《压力容器定期检验规则》所允许的凹坑深度，因此必须去除裂纹后对形成的凹坑进行补焊。

用砂轮打磨去除裂纹，并采用表面无损检测手段判断裂纹去除情况。该裂纹沿深度方向形状发生明显变化并向焊缝延伸，打磨至距母材内表面下5mm处，裂纹长度最大，约25mm，裂纹中部靠左侧发现一处4mm×8mm的渣状平面缺陷，裂纹正是在此处向两端扩展，这应当就是裂纹的发源地。继续打磨至距内表面15mm深处时，渗透检测表明裂纹消失。

三、裂纹原因分析

07MnCrMoVR钢是多元微量合金化的低碳低合金调质高强度钢，具有高强度和低裂纹敏感性，其优点在于焊前不预热或稍加预热而不致产生裂纹，具有优良的焊接性能和低温韧性。07MnCrMoVR钢调质状态供货，金相组织主要是板条状的回火马氏体、回火索氏体和贝氏体的混合组织。其所占的比例随板材厚度方向而异，钢板表面的回火马氏体和索氏体占2/3以上，因此，钢材（特别是表层）的强度和硬度较高。目前，07MnCrMoVR钢已广泛应用于氧气、氮气、天然气、液化石油气、丙烯、乙烯等球罐。

为保证07MnCrMoVR的焊接性能，将钢的碳含量（质量分数）控制在0.09%以下；为保证室温下施焊不产生裂纹，焊接冷裂纹敏感指数Pcm值控制在0.20%以下，且控制焊接材料扩散氢含量。07MnCrMoVR钢制设备失效形式的报道来看，主要为高强钢、高残余应力和特定介质的组合原因产生的应力腐蚀裂纹。同时，07MnCrMoVR钢的含碳量低（≤0.09%），其高强度是通过钢中加入Cr、Mo、V等碳化物形成元素的弥散强化以及添加B等淬透性强的元素来达到的。强化元素在满足高强度的同时又涉及到焊后整体热处理产生再热裂纹的问题，这成为该材料的又一失效原因。

07MnCrMoVR钢产生再热裂纹机理是：钢中含Cr、Mo、V等元素，这些元素以合金碳化物的形式强化基体，但在焊接时，临近熔合线的母材被加热到1 300℃左右，钢中的合金碳化物被溶解，焊后来不及析出，而在随后的消除应力热处理过程中，这些合金碳化物在晶内弥散析出，从而强化了晶内，使应力松弛时的塑性变形由晶界金属来承担。同时，片条状的碳化物、硼和杂质元素易偏析于晶界，在拘束力较大的场合下，加速钢材沿晶界开裂，这就是焊后整体热处理过程中产生再热裂纹的原因。

焊接是一典型的局部冶金过程，在制造过程中受到多种热加工，导致焊接接头强度、塑性、韧性发生明显变化。焊接过程中，焊接温度场温度由金属熔化温度逐步降低至常温。07MnCrMoVR钢制造时经淬火、回火热处理保证了供货状态的强度，但球罐安装中因焊接热加工的影响，焊缝热影响区存在高于回火温度的区域，使该区域发生相变，改变了材料供货状态，导致材料综合性能下降。在高于相变温度以上区域，由于焊接温度场的作用，冷却速度不及钢板制造时的速度，造成晶粒粗大，形成一些粗大马氏体、铁素体等的混合组织，塑性和韧性显著下降，低于相变温度区域，由于重结晶的影响，07MnCrMoVR钢金相组织中的回火马氏体明显减少，导致该部位材料的屈服强度显著下降。

根据07MnCrMoVR钢的壁厚情况，目前球罐实际安装时采用焊后热处理和不热处理两种方式。目前文献中一些数据表明：无论是否热处理，这类球罐的残余应力水平都比较高。此球罐裂纹位于赤道与下极板连接环缝上，球罐组装和焊接时，该缝为最后装配与焊合部位，组合质量的不足和焊接变形均需在该部位得到最后的调整；焊后热处理时，该缝处于温度相对较低区域，升温、降温速度不均会形成温差应力，因此该缝较其他部位必然存在相对更明显的残余应力。

本台球罐安装时，按照GB50094的要求，100%γ射线和100%超声波检测在焊后超过36h进行，热处理前进行了100%的磁粉检测，均无异常情况记载。射线检测所用胶片为T2型胶片，再次复查裂纹部位底片，未发现异常。

显然，储存高纯度氧气的球罐不具备应力腐蚀的条件，裂纹产生的原因应当是由于材料具有较大的再热裂纹倾向，焊接热循环使热影响区母材供货状态改变造成性能退化，加之该部位存在缺陷从而成为裂纹萌生源，在焊后热处理升降温热应力和无法消除的残余应力综合作用下使该部位缺陷发生扩展，形成裂纹。由于安装过程中超过设计压力的耐压试验、投用后工作应力波动等联合作用可能逐步扩展，最终形成定期检验时发现的裂纹状况。

可以说，该裂纹与标准的不完善有一定联系。《压力容器安全技术规程》（99版）虽要求“有再热裂纹倾向的材料应在热处理后再增加一次无损检测”，但对比例、方法未作具体规定。作为球罐技术标准的GB50094和GB12337，GB50094要求“球罐压力试验后应进行磁粉检测或渗透检测，复查比例应为焊缝全长的20%以上”。GB12337在热处理后和耐压试验后未进行表面磁粉检测（包括全部或局部）的规定。该球罐设计者仅引用了上述标准规范的基本要求，安装单位压力试验后只在外表面进行了20%的磁粉检测，在一定程度上导致了具有较大再热裂纹倾向的07MnCrMoVR钢制球罐裂纹在安装阶段未能消除。

鉴于上述分析，本台球罐裂纹打磨凹坑的补焊，除按GB50094和GB12337进行施工和验收外，热处理后对补焊部位再次进行了磁粉和超声波检测，未发现超标缺陷。

四、检验建议

1.07MnCrMoVR钢具有一定再热裂纹倾向，焊后热影响区母材供货状态会发生改变，是焊接结构中的薄弱环节，因此该部位应当作为制造和在用检验中的重点。检测方法的选择应以对裂纹敏感的磁粉检测和超声波检测为主，超声波检测中应重点关注具有游动信号特征的反射回波，对该类信号采用TOFD超声波检测会取得更好的效果。

2.应加强钢板，特别是坡口附近质量的检查。按照球罐技术标准对球壳板周边100mm按JB4730进行超声波检测，但Ⅱ级的合格级别允许的缺陷长度和面积较大，从本案例的情况来看，允许存在的钢板缺陷指标对保证热影响区质量来说显得控制不够。但有缺陷也不意味着一定会扩展，因此建议对球壳板周边100mm采用JB4730中C级扫查的方式，对超过20%的缺陷信号进行首先记录，球罐最终检验前对位于热影响区的母材有缺陷部位进行表面缺陷和埋藏缺陷检测。

3.无损检测时机。考虑到07MnCrMoVR钢具有较大再热裂纹倾向，形成裂纹的原因与焊接残余应力、焊接施工规范、组装质量等多种因素相关。裂纹主要在表面形成，建议在热处理或水压试验之后进行100%磁粉检测，对怀疑部位进行超声波检测。

4.首次定期检验。TSGR7001-2004《压力容器定期检验规则》要求使用标准抗拉强度下限σb≥540MPa材料制造的球形储罐应在投用1年后开罐检验，因此对于有可能存在再热裂纹或延迟裂纹的07MnCrMoVR钢制球罐若需延期检验应持审慎态度。对球罐焊接接头内外表面、工卡具焊迹处等部位定期检验中至少应进行100%磁粉检测。

[1]强天鹏.压力容器检验[M].北京：新华出版社，2008.

[2]袁榕等.对某些CF-62钢制压力容器中的裂纹分析与防止措施的建议[J].压力容器.2003，20(2).