氢气瓶定期检验与缺陷分析

杨雄，李开亚，闫艳伟，刘建杰

(1.合肥通用机械研究院有限公司；2.合肥通用机械研究院特种设备检验站有限公司，安徽 合肥 230031)

随着科技的进步，工业化水平不断提高，压力容器作为工业生产的重要组成部分，被广泛应用工业生产中，如炼油、化工等领域中，这些领域的特点为介质易燃易爆、有毒有害、高温高压，装置的大型化、生产的连续化，自动化程度高，一旦发生事故，会带来很大的损失。压力容器定期检验是在特种设备检验机构按照一定的时间周期，在压力容器停机时，按照相关规程对在用压力容器安全状况所进行的符合性验证工作。

焊缝裂纹是焊接过程中或焊接完成后在焊接区域中出现的金属局部破裂的表现。焊接裂纹是一种危害最大的缺陷，不仅降低焊接接头的强度，还会引起应力集中，使焊接结构承载后造成断裂，使产品报废，甚至会引起严重的事故。裂纹按分布的走向分为横向裂纹、纵向裂纹、星形裂纹（弧形裂纹）；按产生本质分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂、应力腐蚀裂纹等。

热裂纹从宏观上看，焊缝热裂纹沿焊缝的轴向呈纵向分布（连续或断续），也可看到横向裂纹，裂口均有较明显的氧化色彩，表面无光泽；从微观看，沿晶粒边界（包括亚晶界）分布，属于沿晶断裂性质。

冷裂纹宏观断口具有发亮的金属光泽的脆性断裂特性；从微观上看常常是晶间断裂，但也可穿晶断裂，也可晶间和穿晶混合断裂。

根据资料分析，焊接结构中，冷裂纹约占90%，热裂纹约占10%，其他裂纹比较少见。本文就压力容器中的氢气瓶在检验过程中发现的缺陷及处理进行分析。

1 检验对象及方法

某化工厂，设备名称：氢气瓶、容器内径：800mm、 长：9195mm、 筒 体/封 头 材 质：16MnR/16MnR、筒体/封头设计厚度：44/44mm、设计压力（壳程）：15.7MPa、操作压力（壳程）：12.0 MPa、设计温度（壳程）：80℃、操作温度（壳程）30℃、工作介质：氢气、腐蚀裕度：3.0mm、投用日期：1997年9月，本次检修设备未打开，设备无隔热层。如图1为氢气瓶宏观照片。

图1 氢气瓶宏观照片

根据TSG21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》（以下简称《大容规》）制定检验方案，金属压力容器定期检验项目，以宏观检查、壁厚测定、表面缺陷检测、埋藏缺陷检测、安全附件检验为主，必要时增加材料分析、密封紧固件检验、强度检核、耐压试验、泄漏性试验等项目。

2 问题及处理

表面缺陷检测，应当采用NB/T47013中的磁粉检测、渗透检测方法。铁磁性材料制压力容器的表面检测应当优先采用磁粉检测，采用黑磁粉、交流电磁轭，湿法、连续法，磁悬液施加方法为喷。交流电磁轭磁提升力≥45N，悬液浓度为10～25g/L，磁粉检测时一般选用A1：30/100型标准试片。外表面磁粉检测，发现该气瓶所检测一条焊缝（纵缝）及热影响区存在多处线性缺陷显示，如横裂、纵裂等（见图2、图3），随后扩大为100%外表面缺陷检测。五条环缝，四条纵缝，环缝经磁粉检测未发现表面裂纹，四条纵缝其中三条存在多处表面裂纹，其对发现表面缺陷焊缝增加A型脉冲反射法超声波检测，经超声波验证此缺陷为近表面缺陷，非贯穿性缺陷。

图2 裂纹照片

图3 裂纹照片

根据《大容规》相关规定内外表面不允许存在裂纹，施工单位开始对缺陷进行消除，打磨大约1～2mm，部分裂纹露出焊渣（条形），部分裂纹依然存在，然后对其中两处开裂比较严重的部位做了金相组织分析。

金相分析结果：（1）所检验各部位金相组织基本正常。（2）有些裂纹位于焊缝金属附近焊疤内部（图4、5），裂纹尖端以穿晶开裂为主，从形态上看应为焊接延迟裂纹。（3）有些裂纹位于焊缝金属内部焊渣中（图6、7），从形态上看应为焊渣引起的裂纹。

图4 外壁裂纹尖端 200×

图5 外壁裂纹形貌 200×

图6 外壁裂纹尖端 200×

图7 外壁裂纹形貌 200×

通过对表面裂纹的形态和金相结果初步判断，裂纹产生是由焊接缺陷条渣引起的渣裂和焊接内应力产生的延迟裂纹。

延迟裂纹产生原因如下：焊接接头存在淬硬组织，扩散氢含量较高，焊接拉应力及拘束应力较大（或应力集中）超过接头的强度极限时产生开裂等。

防止延迟裂纹产生的措施如下：选用碱性低氢或超低氢型焊条和焊剂；焊前预热降低焊缝金属中扩散氢的含量；严格地按照焊接工艺指导书或工艺评定进行焊接操作；选择合理的焊接结构，避免拘束应力过大；焊后缓冷、焊后热处理防止产生淬硬组织，降低或者消除焊接应力；采用惰性气体保护焊，能最大地控制焊缝含氢量，降低冷裂纹敏感性。

夹渣产生原因具体如下：坡口尺寸不当；坡口表面有异物；多道焊接时，层间焊渣清理不干净；焊接电流小；焊接件导热快，焊缝金属凝固速度过快；焊条药皮或焊剂化学成分不当，熔点过高；惰性气体保护焊接时，电源极性不当，电流密度过大。手工焊接时，焊条摆动速度过快，不利于焊接熔渣上浮。

防止夹渣产生的措施如下：根据相关规范合理加工坡口及坡口清理干净；多道焊接时，层间焊渣清理彻底；合理选材、控制好线能量、焊接速度、控制好焊接工艺；提供焊接人员素质等。

随后对裂纹进行打磨消除，打磨形成的凹坑最大深度2mm，根据《大容规》8.5.4规定，内外表面不允许存在裂纹，如果有裂纹，应当打磨消除，裂纹打磨后形成凹坑的深度；如果小于壁厚余量（壁厚余量=实测壁厚-名义壁厚+腐蚀裕量），则凹坑允许存在。本次壁厚余量为3.5mm，则凹坑允许存在。

3 结语

通过对氢气瓶进行定期检验得出如下结论，点状夹渣的危害性与圆形缺陷相似，带有尖角的夹渣会产生尖端应力集中，尖端有可能发展为裂纹源，在焊接应力作用下也会产生裂纹。磁粉检测发现的表面缺陷存在于纵缝及热影响区，环缝未发现裂纹，由薄壳理论得知，圆筒壳体中轴向应力为环向应力的2倍，纵缝应力水平较高，焊缝开裂和应力水平密切相关，因此在定期检验过程中，纵向焊接接头为检验重点部位。