3 000 m³丙烯球形储罐焊缝裂纹原因分析与预防措施

2022-10-09陈旭杰张子健钟军平柴军辉

电焊机 2022年9期

陈旭杰，郑磊，胡健，张子健，黄辉，钟军平，柴军辉

1.宁波市劳动安全技术服务有限公司，浙江宁波 315048

2.宁波市特种设备检验研究院，浙江宁波 315048

0 前言

丙烯作为三大合成材料的基本原料之一，在国内的需求量较大，且需求量逐年稳定增长。石化企业通常采用球形储罐来存储丙烯，相比同体积的圆筒形容器，球罐钢板使用量少，建造性价高。Q370R钢板属于国产中低温压力容器钢板，凭借其优良的综合特性及经济性，在石化行业中常被用作球罐材料。本文对某化工企业一台3 000 m³丙烯球罐间隔6年进行两次开罐检验，发现从上次定期检验之后到本次检验周期内，焊缝内外表面存在大量裂纹，分析裂纹成因并提出预防措施，为今后此类球罐的定期检验提供一定的技术支持。

1 检验概况

2015年8 月，对某丙烯球罐进行首次开罐检验。其主要技术参数如表1所示，经磁粉检测共发现内表面裂纹59条，长度8～30 mm，外表面磁粉检测共发现101条裂纹，长度5～240 mm，其中64条为扩检时发现的裂纹。

表1 球罐基本信息Table 1 Basic information of spherical tank

2021年9 月，对该球罐进行第二次开罐全面检验。检验方案具体如下：资料审查、宏观检验、超声测厚、磁粉（MT）检测（对接焊缝：内表面100%+外表面40%；柱腿与球罐连接焊缝：100%）、渗透检测、40%UT检测（脉冲反射法超声检测）、20%TOFD检测（衍射时差法超声检测）等，球罐外展开图见图1。

图1 球罐的外展开图Fig.1 Outward expansion of spherical tank

2 缺陷分析

2.1 缺陷统计

球罐第二次开罐全面检测结果汇总如下：（1）MT、UT发现此球罐焊缝共存在177处表面裂纹，详细情况见表2；（2）UT、TOFD发现48处埋藏缺陷，大多数缺陷性质为气孔、夹渣，深度为22～30 mm，自身高度为1～2.5 mm，经判断均在NB/T 47013—2015标准允许范围内，可不返修处理。

表2 丙烯球罐表面裂纹情况统计Table 2 Statistics of surface cracks of Propylene Spherical Tank

分析表2数据：（1）外表面裂纹数量占比较大，其中外表面148处，内表面29处；（2）纵向裂纹占比较大，共计136处，约占所有缺陷数量的77%，横向裂纹17处，群裂纹24处；（3）上极环缝FA质量最差，存在裂纹数量最多，外表面有97处，内表面11处，共108处，占所有缺陷数量的61%；（4）环缝裂纹占比较大，上下级环缝FA、AG的裂纹数量为146处，占所有缺陷数量的82.5%；（5）拼缝相对而言裂纹较少，20条拼缝中只有8条存在裂纹，合格率达60%，此8条拼缝上裂纹共计31处，其中纵向裂纹占比20%，长度最长为40 mm；（6）纵缝情况最好，未发现存在裂纹缺陷。

2.2 缺陷种类与形貌

裂纹是对球罐安全运行影响最大的一类缺陷，球罐焊缝裂纹的分类方法有很多种，如按照尺寸大小、产生部位、裂纹扩展方向、环境和介质的影响。以下三种裂纹对球罐的安全性影响最大：（1）制造遗留裂纹。一般分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹；（2）应力腐蚀裂纹。一旦球罐的使用工况满足应力腐蚀三要素时，即焊缝承受拉应力、与球罐材料相匹配的特定腐蚀环境以及敏感的金属材料，极易产生应力腐蚀裂纹，这种裂纹隐蔽性强，危害性巨大，会产生脆性断裂；（3）疲劳裂纹。球罐在使用过程中，由于介质的充装以及长期的脉动应力都会导致载荷不断变化，进而产生疲劳损伤，形成疲劳裂纹。典型缺陷形貌如图2所示，主要分为纵向裂纹、横向裂纹、群裂。

图2 典型裂纹缺陷形貌Fig.2 Typical crack defect morphology

2.3 横向裂纹检测

由于横向裂纹的超声检测难度通常高于纵向裂纹，故在此针对本球罐的某条横向裂纹，对其检测技术进行特别说明，以提高横向裂纹检出率。依据标准NB/T47013.3-2015，选择2.5Z10×16K2型普通超声探头，基准灵敏度设定为φ2×60-14 dB，扫查灵敏度在此基础上增加6 dB，采用斜平行扫查方法，分别在图3中的1、2、3、4四个位置放置探头进行扫查，仪器上清晰地显示了裂纹缺陷波。在探头位置1、3、4处，深度显示为3.4～7.6mm；在探头位置1处检测时，波幅最高，为SL+10.7 dB，达到Ⅲ区，深度显示为8.5 mm，具体见图4，后经返修单位现场打磨，此裂纹深达9 mm。

图3 横向裂纹扫查示意Fig.3 Schematic diagram of transverse crack scanning

图4 横向裂纹现场A超检测结果Fig.4 FieldA-ultrasonic testing results of transverse cracks

3 缺陷成因分析

（1）球罐在制造安装焊接过程中，通常存在焊工技术欠佳、焊接工艺问题、不严格按照工艺焊接和现场环境较恶劣等因素，造成焊缝中溶解一定的氢气或残余应力集中，特别是在上下级环缝FA、AG处，且球罐的组装遵循以下顺序：赤道带→下极带→上极带，这两道环焊缝在最后组装，应力比较集中，再加上安装及焊接工艺不当等不利因素，最终导致裂纹源产生。

（2）球罐的焊后热处理未达到预期要求。球罐的焊后热处理工艺依据GB 12337—2014《钢制球形储罐》进行，热处理工艺主要包括：焊后热处理温度应控制在（580±20）℃；热处理恒温时间按板厚每25 mm恒温1 h计算，不得小于1 h；升温至400℃以上时，升温速度严格控制为50～80℃/h；400℃以上降温时，降温速度严格控制为30～50℃/h；在400℃以上升温和降温时，任意两点的温差不大于130℃。虽然焊缝残余应力不能完全消除，但可通过焊后热处理来有效降低。然而在现场热处理过程中，施工单位通常对于热处理技术规范执行不到位，这就容易导致热处理温度或时间未达到规定要求，最终导致热处理不充分。

（3）现场组焊时，纵向焊缝采用立焊，环向焊缝采用横焊，焊接位置的不同会导致焊缝性能存在差异。采用横焊时焊道宽窄不一，对焊接过程控制要求较高，一旦操作存在失误，就会出现熔化金属滴落或者熔深不够造成未焊透。综上所述，环向焊缝的焊接难度大于纵向焊缝，所以在球罐的现场组焊过程中，一般环向焊缝的缺陷数量多于纵向焊缝。

（4）环向焊缝的焊接线能量较小，焊接线能量=（电流×电压）/焊接速度。在（电流×电压）不变时，焊接线能量的大小和焊接速度成反比，现场组焊时，环焊缝的焊接速度大，焊接线能量小，所以冷却速度大，一旦冷却速度大于临界冷却速度，就会诱发马氏体转变，而马氏体组织缺口的敏感性、淬硬性大、硬度大，在应力作用下易产生裂纹，因此环向焊缝的裂纹数量明显多于纵向焊缝。

（5）焊接过程中的热分布不均匀，残余应力的存在是产生裂纹的重要原因之一，焊接时焊缝高温区的加热膨胀受到低温区的约束，会使高温区产生塑性变形；冷却时高温区的金属收缩受到限制，会受到低温区的拉伸作用，这就产生了一个与加热过程热应力方向相反的力，即残余应力。环向焊缝的长度一般较长，其焊接时间就更长，受热影响就越大，残余应力也就越大。

4 缺陷处理

缺陷处理的思路如下：（1）应由具有相关资质的返修单位进行，按照TSG 07-2019的要求，返修单位需持有A3级资质；（2）严格执行球罐有关规程和技术规范，一般按GB 12337—2014进行；（3）大多数裂纹深度为0.5～3 mm，需打磨消除并做圆滑过渡处理，对于深度较大的裂纹还需进行补焊；（4）其他埋藏缺陷经打磨消除后补焊，然后采用UT、TOFD复验合格，再经局部热处理、水压试验、磁粉检测。

5 预防措施

5.1 建造安装方面

（1）选择满足安全使用条件的钢材。

（2）严格控制球壳板原材料质量，主要包括钢板的厚度、化学成分、力学性能，同时锻件、焊材均要高于技术标准要求。

（3）严格控制球壳板制造质量，主要包括：下料精度、球壳板圆弧度、几何尺寸、曲率、坡口尺寸等，几何偏差要高于标准要求，上述指标控制得越好，焊接质量便会越高。

（4）严格控制焊接过程质量。选择持有焊接证书、有焊接经验并掌握此钢种焊接要领的焊工，在准确位置安装预热器，均匀预热至合适温度，应严格按照焊接工艺执行：焊接电流、焊接电压、焊接线能量选用标准推荐值，同时焊接材料的选用也要严格遵循标准，并关注其是否在有效期内，选择合适的施焊退焊法，每一层焊接结束时必须要彻底清除焊渣并检查，发现表面缺陷、焊瘤等及时打磨干净。

（5）焊接完成后检查焊缝表面有无缺陷、熔渣或飞溅物，焊缝成形是否符合要求，否则必须打磨消除整改直至合格。

（6）焊接结束后按相关标准进行无损检测，严格按热处理工艺规范进行热处理，最后进行水压、气密性试验，企业在球罐使用过程中应严格控制工作压力、工作温度，不得违规操作、超标运行。