球罐的质量分析及裂纹分析

2014-03-30刘徐

电大理工 2014年3期

刘徐

辽宁装备制造职业技术学院（沈阳 110161）

钢制球罐，其壳体呈球形，是贮存和运输各种液体、气体、液化气体的经济实用的压力容器，广泛应用于化工、石油、造船及城市煤气工业等领域。

与圆筒形压力容器相比，球罐具有受力均匀、承载能力强、壁厚和表面积小等主要优点。另外，球罐要比圆筒形容器节约30%～40%的钢材，但球罐的制造技术含量比较高、制造费用也高，所以从经济性考虑，储存大容积物质时，才优先选用球罐，总体来说球型容器没有圆筒型容器的应用广泛。近些年，我国化工、石油、造船、冶金以及国防工业不断发展，对大容积压力容器需求量显著增加，球罐的数量日益增多，球罐的容积和压力也在逐渐增大，但在安全使用方面仍然存在隐患，常常有灾难性的事故发生，因此对其进行严格的质量控制是保证生产安全的必要手段。

1 球罐质量缺陷

通过近年来的球罐失效数据统计发现，我国的球罐失效事故有75%是源于焊接、组装两类因素。裂纹作为比较严重的焊接缺陷，引起大量失效事故，也是导致球罐失效的主要原因。

1965 年英国压力容器标准化委员会的统计结果显示，压力容器在役期间发生失效事故的共计132台，其中由裂纹造成失效事故的计118台，占事故总数89.3%；1978年日本神奈川县的调查结果显示，从20世纪50年代开始建造的200m3以上的各种球罐共计210台，其中检测出裂纹的有152台，占73%。由此可见，从某种意义上说，球罐的质量控制主要就是裂纹的控制。

通过以上数据，不难发现影响钢制球罐质量的主要因素就是裂纹。在球罐的环缝区和焊接应力较少的焊缝区常出现较多裂纹，这些裂纹经常源于热影响区的过热区，并沿焊缝两侧同时开裂，形态非常细小。开裂部位的断口经扫描分析，可以发现开裂的断面具有沿晶开裂形式，断面上有腐蚀产物和二次开裂现象，晶粒较光滑且表面的腐蚀坑较小。裂纹源表面的覆盖物中，硫越靠近内表面，覆盖物硫的含量越高，由此推断裂纹的产生主要是受硫化物的影响。裂纹的开裂常见有穿晶开裂、沿晶开裂两种形式，当位错呈平面排列时，主要在晶粒内部发生应力集中，形成穿晶开裂；当位错呈网状排列时，主要在晶界处发生应力集中，形成晶间开裂。

2 球罐裂纹产生原因

钢制球罐的裂纹主要是在制造过程中和使用过程中产生的，所以要预防裂纹产生，就必须通过这两种途径进行严格的控制和维护，这也正是解决钢制球罐使用过程中安全隐患的关键因素，应该引起高度重视。

2.1 制造中产生的裂纹

钢制球罐在制造中产生的裂纹主要是氢致裂纹，产生的原因主要有材料焊接性、组装时的拘束应力和焊接工艺等三个方面。

目前国内制造球罐用得最多的低合金高强度钢有16MnR、15MnVR，这些钢淬硬倾向较大，对裂纹比较敏感。球罐材料的焊接过程中主要产生以下2种裂纹：(1)焊接冷裂纹。焊接接头冷却到较低温度（对于钢来说一般是指Ms点以下）时产生的裂纹，称为冷裂纹。拘束应力、淬硬组织和氢的共同作用，使焊接接头产生的开裂就属于冷裂纹。冷裂纹主要发生在中碳钢、高碳钢以及合金结构钢的焊接接头中，特别易于出现在焊接热影响区。发生在焊缝中的冷裂纹通常是横向裂纹，开裂形式为穿晶开裂。(2)再热裂纹。某些合金钢焊后消除应力处理过程中产生的裂纹，称为消除应力处理裂纹；在高温合金焊后时效处理或高温使用过程中伴随时效沉淀硬化而出现的裂纹，称为应变时效裂纹。这种焊后对接头再次加热所引起的裂纹统称为再热裂纹。熔合区和热影响区常有再热裂纹产生，其开裂形式为沿晶开裂。

组装应力和焊接残余应力是拘束应力的主要形式，制造球壳时产生的曲率偏差和低合金高强钢的固有特性等因素，导致组装应力和焊接残余应力随钢板厚度增加而增加。另外，组装现场的条件恶劣时，难免会出现较大的尺寸偏差、角变形和错边量，造成局部应力集中，产生焊接裂纹。还有就是，球罐的环缝拘束度比纵缝拘束度要大得多。我国质量检测部门对7个炼油厂的球罐进行检测后，发现了1 487条裂纹，其中发生在环缝上的裂纹有1 242条裂纹，占裂纹总数的83.5%。

焊接工艺对裂纹产生的影响主要体现在4个方面：

(1)焊条若不严格按照要求烘干，焊缝中会产生较多的水分、氢气，进而导致氢致裂纹的产生；

(2)焊接线能量选择不当，直接影响焊接接头的组织性能，增加裂纹产生的可能性；

(3)预热、后热、层间温度等控制不当，不仅接头组织性能不能得到改善，消氢和消除内应力的效果不好，甚至还会增加氢致裂纹产生的可能性；

(4)合理地选择焊接顺序，有利于控制焊接变形和减少焊接应力，也可有效避免裂纹的产生。

2.2 使用过程中产生的裂纹

钢制球罐在使用过程中产生的裂纹主要有腐蚀开裂、疲劳裂纹。

球罐所接触的介质除大气外，还有各种酸、碱、液态烃、液化石油气、液氨等，成分比较复杂。晶间腐蚀开裂或应力腐蚀开裂是多种因素共同作用的结果，主要有材质、介质、应力。金属材料并不是在任何腐蚀介质中都产生腐蚀开裂，材质与介质之间具有一定的匹配性，也就是某种材料只有在某种介质中才产生腐蚀开裂。纯金属不产生腐蚀开裂，而即使含微量元素的合金，在特定的腐蚀环境中也会具有一定腐蚀开裂的倾向，但并非在任何环境都会产生腐蚀开裂。此外，产生腐蚀开裂存在临界应力，当结构中应力水平低于临界应力时是不会产生腐蚀开裂的。

球罐在交变应力作用下，最主要的失效形式就是疲劳裂纹，此种裂纹是在远低于材料抗拉强度或屈服点的条件下产生的，由此产生的断裂占零件断裂的80%。疲劳裂纹常出现在未焊透、夹渣、咬边等缺陷处，这些部位应力较集中，是“先天”的疲劳裂纹源。交变应力在危险截面处多次循环后，晶粒中的薄弱地带出现不均匀滑移带，从而形成初始裂纹，裂纹尖端在切应力作用下发生反复塑性变形，导致裂纹扩展，最终断裂。