在役球形储罐定期检验及缺陷分析

2023-05-16刘鹏鹏薛永盛娄旭耀冯精良李玉军

盐科学与化工 2023年5期

刘鹏鹏,薛永盛,娄旭耀,冯精良,李玉军

(河南省锅炉压力容器检验技术科学研究院,河南郑州 450016)

球形储罐是一种重要的储存容器,一般由上极板、上温带、赤道带、下温带、下极带、支柱等组成(不同容积的球形储罐带数不同)。其具有应力分布均匀、承载压力大的特点。因同样工况下所用的钢板厚度仅为圆筒形压力容器的一半,同时还具有表面积较小、占地面积较小,可以大量节省材料等优点,被广泛应用于石油、化工、冶金、能源、气体等工业领域[1]。通常球形储罐中的存储介质具有极度高度危害或者易燃易爆的特点,一旦容器出现损伤失效,不仅会造成球罐本身的损坏,严重情况下会引发极大的火灾爆炸事故,进而造成严重的人员伤亡,财产损失等灾难性的后果[2]。在役球形储罐的定期检验中,焊接接头是球形储罐产生缺陷的主要部位之一,尤其是球壳板焊缝经常会发现超出TSG 21-2016《固定式球形储罐安全技术监察规程》中相关要求的缺陷,易存在裂纹、夹渣、气孔、未熔合、未焊透、几何偏差、电弧擦伤及咬边等。在实际生产运行中,球形储罐的损伤主要发生在应力集中部位,快速的定位球形储罐的应力集中区域,可以有针对性进行检测甚至监测,提前发现和判断球形储罐的损伤,在预防事故发生方面有着重要的意义[3-4]。

文章汇总2017年以来某省定期检验的球形储罐(共计48台),并对这48台球形储罐缺陷进行统计分析,对所发现缺陷的球形储罐从体积、使用介质、材质、工作压力、使用年限、检测方法、缺陷类型等进行数据分析。对缺陷产生重点部位进行归纳、统计分析,为同行业球形储罐检验提供经验参考。

1 球形储罐缺陷分析

此次用于分析的球形储罐使用日期从3 a～25 a,容积从200 m3～5 000 m3,工作压力0.16 MPa～3.0 MPa。球形储罐定期检验的项目主要是宏观检查、测厚检查、磁粉检测、超声波检测、TOFD检测、水压试验等。重点研究所统计的48台球形储罐中表面裂纹缺陷和埋藏超标缺陷(含裂纹),并对此类缺陷进行分析。该部分球罐的容积和介质的分布情况见图1和图2。

图1 不同容积球罐检验台数

图2 不同介质球罐检验台数

1.1 表面裂纹位置分布

针对球形储罐表面检测均采用磁粉检测的方法进行,且均为内表面检测比例100%,覆盖所有焊缝。柱腿角焊缝磁粉探伤一般以抽查2个柱腿进行。检测过程中,最常见的缺陷形式就是表面裂纹,其发生的位置也并不具有单一性。考虑环焊缝、纵焊缝、极板拼缝、柱腿角焊缝以及接管人孔焊缝等球罐中典型位置,将球罐检验出现的所有表面裂纹进行统计,在基于裂纹总数的条件下,各个部位所占裂纹总数比例见图3。由此可以说明内表面环焊缝是表面裂纹产生的高发区域,占总裂纹数量的76.5%,在所检验的球罐中,均在环焊缝发现了表面裂纹缺陷。纵焊缝和极板拼缝在检测过程中发现的表面裂纹较少。在球罐外侧检验中,将柱腿和接管角焊缝进行表面检测,结果发现,柱腿角焊缝发现裂纹数量占总裂纹数量的6.2%,共计23台球罐柱腿角焊缝存在表面裂纹缺陷,接管角焊缝发现的缺陷相对较少。

图3 裂纹产生位置分布图(基于裂纹总数)

1.2 介质对内表面裂纹的影响

介质的腐蚀作用是球罐使用过程中萌生和扩展裂纹的重要因素之一。在统计的球罐介质中,有储存液化石油气介质,该介质中含有H2S杂质,H2S在一定条件下会对球壳板产生应力腐蚀裂纹。除去液化石油气,所统计的球罐中,有不少储存丙烷、丁烷、液氨等腐蚀敏感性较弱的介质。从检验结果来看,同容积下储存液化石油气介质的球罐表面裂纹存在的数量更多。文章以1 000 m3容积的球罐为例,表面裂纹总量见表1。

表1 内表面裂纹与介质情况统计表

1.3 需返修内表面裂纹数量及分布

对于检测出的表面裂纹,由于裂纹本身的长度、深度、位置等不同,造成的危害程度也不尽相同。对于表面裂纹,检测发现后首要的处理方式是进行打磨消除,若其能够通过浅表面进行打磨消除之后,就不需要进行焊补返修工作。反之若由于表面裂纹的深度较大,打磨后的凹坑超出TSG21-2016的规定,还需要进行补焊返修工作。

在所统计的48台球形储罐检验过程中,存在5台球罐存在不能通过浅表面打磨消除的,需要进行补焊返修。在这5台球罐中,共计返修的裂纹缺陷数量为15处。其中有13处处于环焊缝位置,2处处于柱腿角焊缝位置。

1.4 埋藏超标缺陷分析

对于球罐埋藏缺陷的检测采用了常规超声和TOFD检测方法进行。检验结果中,存在埋藏缺陷的球罐有46台。仅有2台球罐未发现埋藏缺陷。此次统计的检验球罐中,共计发现354处埋藏缺陷,为便于分析,文章根据埋藏缺陷的安全状况按照NB/T 47013.10-2015进行评级,其分布情况见图4。整体来看,所发现的埋藏缺陷中,在纵焊缝,极板拼缝处发现的埋藏缺陷数量并不多,多数还是处于环焊缝位置。在32条缺陷被评为Ⅲ级的埋藏缺陷中,其分布位置均处于环焊缝位置。

图4 埋藏缺陷安全状况等级分布(基于埋藏缺陷总量)

在检测过程中针对埋藏缺陷的定级处理依照TSG21-2016来进行。所检验出的缺陷安全状况等级处于3级的,对该缺陷进行标记记录,不做返修处理。但是对于安全状况等级超过3级的未熔合、未焊透、条状夹渣缺陷以及所有的埋藏裂纹缺陷进行返修处理。共计需要返修的裂纹数量为43条,占总发现埋藏缺陷数量的12.15%。选取其中返修的缺陷进行解剖后,得知埋藏裂纹缺陷形态见图5,与对应的TOFD检测图谱见图6。

图5 埋藏裂纹解刨图

图6 埋藏裂纹TOFD检测图谱

2 定期检验时的检测重点

2.1 环焊缝检验

在球罐的制造过程中,由于其自身的体积巨大,通常采用现场组装焊接的方式进行。由于现场焊接环境较为复杂,再加上人为因素影响,所焊接的焊缝极易出现错边、气孔、未焊透、裂纹和未熔合的缺陷。另一方面,球壳板组装过程中通常采用定位斜铁进行固定,并采用这种方式进行调整间隙和错边量,因此在组装过程中较容易发生强力组装的情况,进而产生一定的约束力。再之,球罐的焊接顺序为先纵缝后环缝,这种的组装顺序对于纵缝的残余应力影响不大,但是由于重力等其他因素的影响,环缝的组装过程中更容易产生较大的应力,其发生缺陷的概率也相对较大[5-6]。

球形储罐检验过程中统计发现,所发现的裂纹绝大部分集中在环缝及其热影响区,其分布情况与该球形储罐的应力分布情况基本一致。因此,环焊缝的检验在监检和定检中为检验重点位置。因此从检验结果来看,环焊缝表面裂纹缺陷占裂纹总量的比例较高,见图7。因此对于检验过程中来说,磁粉检测中,应加大对环焊缝检测比例的抽查。

图7 环焊缝表面裂纹占比

2.2 首次定期检验

球形储罐投入使用后,在首个检验周期内伴随着制造过程中的残余应力释放,同时在介质的作用下,属于标准允许范围内的缺陷可能会逐步扩展为超标缺陷。但是随着定期检验周期次数的逐步增加,通过相关无损检测手段检出的缺陷数量也越来越少,多数的埋藏缺陷随着应力的释放也逐步的稳定。因此球罐整个检验周期中,首次定期检验尤为重要,而且其相关焊缝的检验比例也应适当的扩大。

2.3 工卡具打磨与应力集中位置

球形储罐焊接后,内、外表面焊缝及工卡具处均经打磨处理,但个别地方打磨不够平整,存在凹坑,产生表面的不连续,在凹坑的尖端导致应力集中,易引起开裂。如工卡具打磨部位与应力集中部位。

3 检测方法的正确选用

3.1 磁粉检测

NB/T47013.4-2015中规定,对于设备制造过程中采用高强度钢以及对裂纹(包括冷裂纹、热裂纹、再热裂纹)敏感的材料,或者长期工作在腐蚀介质环境下有可能发生应力腐蚀裂纹的承压设备,其内壁应当采用荧光磁粉检测的方法进行检测。因此对于球罐内部表面检测中,应当尽量选用荧光磁粉,一些有应力腐蚀倾向的以及高强钢的必须要荧光磁粉检测进行。对于球罐外表面以及柱腿角焊缝可选用非荧光磁粉进行检测。

3.2 TOFD检测

在球形储罐定期检验中,相对于TOFD检测,常规射线和超声检测都具有一定的局限性。而TOFD检测技术具有检测效率高,检测数据准确等优势,便使得其在球罐检验的应用中发挥出巨大的优势。

对于球形储罐TOFD检测,扫查面多选球形储罐内表面,由于球壳板的弧面因素,使得扫查面盲区相对较小。检测区域由其高度和宽度表征,检测区域高度为工件厚度。若对已发现缺陷部位进行复检或已确定的重点部位,检测区域可缩减至相应部位。针对埋藏性裂纹缺陷,TOFD有着独特的优势。

目前在球形储罐定期检验过程中, TOFD检测方法已经成为必不可少的检测手段,该检测方法在深度尺寸定位和相应的误差不依靠信号振幅,具有检测精度高、可靠性好等优点。一般认为,其定量精度为±1 mm,监测裂纹的增长能力为±0.3 mm,且采集的数据可以永久保存,同时球形储罐对接焊缝结构形式简单。因此TOFD检测技术特别适用球形储罐的检测,同时也是有效能精确测量出裂纹增长的方法之一。

3.3 金相检验及硬度检测

在石油化工储存设备中,湿硫化氢腐蚀是普遍存在的问题,尤其是湿硫化氢对碳钢和低合金钢的应力腐蚀。通常情况下,影响硫化氢应力腐蚀的因素较多,如介质溶液的pH值,硫化氢浓度、介质温度、容器材质等。对于容器材质来说,其含S、Ni、H的含量越高,钢的强度和硬度就越大,相应的就容易受到硫化氢应力腐蚀。因此针对存贮液氨,液化石油气等具有腐蚀性的介质的球罐,在检测过程中若需要进行损伤模式识别,还需要进行硬度检测和金相检测,通过硬度值和金相图并依据材料性能分析表面裂纹产生的原因。