某球罐定期检验时发现的裂纹成因分析及处理对策

杜辉 刘亚庭 赵二虎(咸阳市特种设备检验所，陕西 咸阳 712000)

0 引言

某液化石油气球罐进行定期检验时，按照TSG 21—2016《固定式压力容器安全监察规程》(以下简称《固容规》)中有关无损检测的要求，对其内部纵缝进行荧光磁粉检测，检测比例为20%[1]，发现一条纵缝的熔合线附近存在一条裂纹。

1 储罐的基本参数

储罐的基本参数如表1 所示。

表1 储罐的基本参数

2 检验情况

该压力容器于2016 年7 月20 日安装竣工完毕并投入使用，已按要求办理使用登记证，各手续合法。按照《固容规》有关定期检验的要求，使用单位于设备投用后三年内申请定期检验，我机构根据《固容规》的要求，编制了专用检验方案，方案要求对其内壁纵缝进行荧光磁粉检测，检测中发现纵缝边缘附近存在裂纹(图1)，断断续续，合并和长大约500mm。

图1 球罐纵缝检测的裂纹

3 成因分析

发现裂纹的设备是在役设备，首先考虑的是环境开裂，根据《承压设备损伤模式识别》对环境开裂的描述，环境开裂分为氯化物开裂、碱应力腐蚀开裂、氨应力腐蚀开裂、液体金属脆断、氢脆、连多硫酸应力腐蚀开裂、胺应力腐蚀开裂、湿硫化氢破坏、氢氟酸致氢应力开裂、碳酸盐应力腐蚀开裂、硝酸盐应力腐蚀开裂、氢氰酸致氢应力开裂、高温水应力腐蚀开裂等[2]。考虑到压力容器所盛介质为液化石油气，考虑最可能的破坏是湿硫化氢破坏。因此，对裂纹进行打磨，并对裂纹处、母材处和焊缝处进行采用便携式硬度计在现场进行了硬度测试，发生裂纹处的硬度值最高。根据以往承压类设备开裂失效的分析方法，金相检验的帮助分析开裂原因的有效手段，因此，对焊缝、热影响区、母材处进行金相检验。

图2 焊缝结构

金相检验结果：

(1)由图3 金相检验的结果可以看出，母材组织是铁素体+珠光体，铁素和和珠光体是该球罐制造材料Q345R 在常温下的正常组织，但是从金相显微镜的镜头下，可以发现母材组织呈现出组织不均匀的迹象。

图3 母材组织

(2)由图4 焊缝及融合区组织的金相检验结果可知，在融合线外侧的热影响区，出现了马氏体组织(见图4 上半部分)，该马氏体组织呈板条状，组织较母材处更为致密，为更深入了解其形貌，另外选择了两处马氏体组织进行金相显微观察，发现所选择的两处均有微观裂纹，裂纹形貌特征为沿晶界扩展，但也有的是穿晶开裂，这和延迟裂纹的特征比较像(见图5 和图6)。比对无损检测结果，此处虽在磁粉检测的范围以内，但是由于受磁粉检测灵敏度所限，即使采用对铁磁性材料具有最高灵敏度的荧光磁粉检测，也未发现此类裂纹。

图4 焊缝及融合区组织

图5 热影响区微裂纹

图6 热影响区微裂纹2

(3)对此球罐中，上下极、赤道线的附近纵缝及热影响区、母材处进行打磨、金相检验，发现焊接接头熔合线外侧的热影响区也出现马氏体组织，对各位置的环缝随机抽取进行金相检验，也发现马氏体组织。即，只要有焊缝在，附近就能发现马氏体组织。

裂纹成因分析：马氏体是碳在α-Fe 中的过饱和固溶体，它是钢在奥氏体化后快速冷却到马氏体点以下发生无扩散性相变的产物，因此它自形成之时起就产生了很大的相变应力。此球罐的制造材料为Q345R，这种材料所形成的马氏体组织是硬而脆的，给材料的强度、塑性、韧性指标带来极大的影响。

从上述金相检验结果可知，母材的显微组织不均匀，导致微观化学成分也不均匀，而且只要有焊接接头的地方，在其热影响区附近总能发现硬而脆给材料性能带来严重影响的马氏体组织。金相检验发现的微观裂纹还呈现出冷裂纹的特征。

Q345R 材料的焊接性能较好，但是和普通的低碳钢相比，它的合金元素含量稍大。因此其淬硬倾向和发生冷裂纹的倾向都比普通低碳钢要稍大，施焊时如果在低温环境、大刚度、大厚度结构上进行小规范施焊，就可能出现马氏体组织，甚至可能出现裂纹。从发现裂纹的位置和金相检验的结果看来，发现裂纹的位置是球罐组装时刚度较大的位置，而且球罐的壁厚也较厚，应该是焊接参数不当，导致在焊接接头的热影响区产生了马氏体组织，在组织应力及焊接残余应力和盛装介质压力的共同作用下热处理时产生微观裂纹，微观裂纹进一步扩展成为宏观裂纹。而所盛装介质为液化石油气，可能是含有湿H2S，在腐蚀介质和各种介质的作用下，极易发生应力腐蚀。对于壁厚为48mm 材料为Q345R 制造的球罐，应采取预热措施，根据GB 12337—2014《钢制球形储罐》表28 的要求[3]，预热温度保持在125～175℃，且预热的范围至少应在焊缝中心线144mm 以外，但查安装竣工资料，发现关于预热的记录不全，预热温度和预热范围都已无从考证，应是管理不够规范所致；施焊日期为12 月，环境温度较低，不预热或者预热不足也会发生淬硬倾向或者直接产生裂纹。且竣工资料对球罐的整体消除应力热处理记录也不全。

4 缺陷处理措施

(1)召集球罐安装监督检验人员、安装单位当时的施工负责人，调取相关记录资料，对该球罐安装时焊接参数及热处理状态进行彻底调查。

(2)对所有的内壁焊缝进行荧光磁粉检测，对发现的裂纹进行打磨消除处理，消除后同时进行磁粉、渗透、以及金相检验，确认彻底消除。

(3)对球罐重新进行整体热处理，改善焊缝及热影响区组织及应力状态。对焊缝及热影响区进行年度磁粉及金相抽查，以及时发现微观裂纹的萌生及扩展。

5 结语

只要严格按照《固容规》的要求，对设备进行定期检验，就能够发现可能给人民生命财产安全打来严重损失的缺陷。本次检验中发现的缺陷，使用单位处理耗资50 万余元，这是由于前期施工单位未按国家标准、特种设备安全技术法规的要求造成的。本次制造缺陷的发现，也对施工单位造成了不小的名誉损失，因此，对于特种设备行业而言，设计，生产，使用，检验等各环节都应严格执行国家标准的要求，这样才能真正保障安全。