在役氫氣球罐的裂紋分析及修復

1、<p>　　在役氫氣球罐的裂紋分析及修復</p><p>　　摘要：燃氣區(qū) 一臺400 m3氫氣球罐，運行三年后首次檢驗發(fā)現(xiàn)有不同程度的裂紋，為此從球罐組裝、焊接、材質、機械損傷、應力腐蝕這五個方面分析了球罐裂紋產(chǎn)生的主要因素；針對球罐的具體情況，又從焊縫表面缺陷和內部缺陷的清除、修復、熱處理及防腐等方面提出了修復和預防措施。 實踐證明，修復和預防措施有效可靠，保證了球罐的安全運行。 </p>

2、;<p>　　關鍵詞： 球罐裂紋分析修復措施 </p><p>　　中圖分類號：TG21+3文獻標識碼： A </p><p><b>　　1.0球罐概況 </b></p><p>　　焦爐煤氣制氫裝置氫氣球罐 B532由中冶天工結構容器分公司按 GB12337和GB150規(guī)范設計，球殼板材為Q345R，由中冶天工鋼構容器分公司壓

3、制成球片，2009年由中冶天工鋼構容器分公司現(xiàn)場組裝，2009年末投用。2012年經(jīng)檢驗機構進行了首次開罐檢驗，發(fā)現(xiàn)裂紋共20處裂紋39條，其中單個裂紋最長 10 mm，最深6.2 mm。2013年再次開罐檢驗未發(fā)現(xiàn)新生缺陷。球罐技術參數(shù)如下： </p><p>　　容器類別：Ⅲ 設計壓力：2.0MPa 設計溫度:50℃ </p><p>　　介質：氫氣 材質：Q345R容積 400m3

4、</p><p>　　板厚：30mm 焊條：J507 </p><p>　　1.1 首次開罐檢驗情況 </p><p>　　該球罐投用三年后首次開罐檢驗情況如下：表面缺陷采用磁粉檢測、埋藏缺陷采用超聲波檢測。內外表面對接焊縫100％磁粉探傷，共發(fā)現(xiàn)20處39條裂紋超標缺陷，經(jīng)打磨消除。其中12處 (深度小于3mm)，無需補焊，其余8處打磨深度超過3mm(深度為3～6

5、.2mm), 補焊返修由球罐原制造安裝單位實施，對返修后的位置采用局部熱處理，復探合格。 </p><p>　　球殼板焊縫排版示意見圖 1， </p><p>　　圖 1 球殼板焊縫排版示意 </p><p>　　首次檢驗出現(xiàn)的缺陷位置基本都集中在BC焊縫 (即北溫帶與赤道帶的環(huán)焊縫)及焊縫熱影響區(qū)， 裂紋大部分為橫向裂紋，與焊縫垂直。裂紋集中出現(xiàn)在球罐的同一焊縫部

6、位，說明該條焊縫自現(xiàn)場安裝以來一直存在某種誘發(fā)裂紋的傾向。具體數(shù)據(jù)見表1檢驗發(fā)現(xiàn)的裂紋位置、大小及打磨深度表。 </p><p>　　表1檢驗發(fā)現(xiàn)的裂紋位置、大小及打磨深度表 </p><p>　　2.0 導致球罐裂紋的因素分析 </p><p>　　球罐從安裝到使用產(chǎn)生裂紋的主要幾個因素： </p><p><b>　　2.1 組

7、裝因素 </b></p><p>　　球罐在組裝過程中，若各種尺寸達不到規(guī)范要求而進行強力組裝，就會產(chǎn)生約束應力，焊后應力無法釋放，會產(chǎn)生裂紋。該球罐由赤道帶和南北溫帶及南北兩極組成，其中赤道帶有12塊球殼板，南北溫帶各有4塊球殼板，南北極各有3塊球殼板，共26塊球殼板組焊而成。該罐安裝 時采取分帶組裝法，即先將赤道帶、南溫帶與南極板、北溫帶與北極板各自在地面上組焊成三大組件，然后將赤道帶組件吊裝、焊

8、接在6根支腿上，再吊裝南溫帶與南極板組件與赤道帶焊接，最后吊裝北溫帶與北極板組件與赤道帶焊接。北溫帶板與赤道帶之間的環(huán)焊縫的焊接成為整個球罐的最后一道焊縫。這種組焊方法對各條縱焊縫的焊接質量非常有利，但容易出現(xiàn)北溫帶板與赤道帶的強力組對，在這條環(huán)焊縫位置會產(chǎn)生極大的約束力，該球罐經(jīng)宏觀檢驗發(fā)現(xiàn)該處焊縫部位錯邊量達2-3mm，棱角度達8mm，對于Q345R低合金鋼板材容易導致焊縫的殘余應力非常高。該處環(huán)焊縫在組裝完成后便存在著內應力和結構

9、應力，這種應力在焊后整體熱處理完成后也難以完全消除。所以導致裂紋幾乎全部集中在北溫帶與赤道帶之間的環(huán)焊縫及焊縫熱影響區(qū)。 </p><p><b>　　2.2 焊接因素 </b></p><p>　　焊接形成的小缺陷，如表面氣孔、弧坑、裂紋等，容易產(chǎn)生微裂紋，在球罐加壓使用時裂紋容易擴張；焊接次序的不合理，導致球殼內的應力不能最大限度地釋放，而后的殘余應力很大，容易形

10、成冷裂紋、熱裂紋；球罐焊接采用的焊接方法、焊接線能量的大小、焊接的預熱及后熱等不當，也容易使球罐產(chǎn)生裂紋。 </p><p><b>　　2.3材質因素 </b></p><p>　　氫含量的增加，使材料脆性升高，硬度增加，導致韌性下降，擴散氫量對冷裂紋的產(chǎn)生和擴展起了一定作用，在含氫量較高，而預熱溫度不足的情況下，會產(chǎn)生裂紋；合金元素對熱裂紋中的結晶裂紋產(chǎn)生有很大影

11、響，硫、磷的微量存在也都會增大產(chǎn)生結晶裂紋的傾向。 </p><p>　　2.4機械損傷因素 </p><p>　　球罐組對時臨時焊接的工夾具部位，其硬度高于其他部位，其殘余應力也較高，容易產(chǎn)生裂紋。球罐板在運輸、壓制、組裝過程中的碰傷等部位也是容易產(chǎn)生裂紋的地方。 </p><p>　　2.5應力腐蝕因素 </p><p>　　球罐使用過程

12、中，造成裂紋的外因素主要有兩個：高應力和介質氫H2。高應力包括：罐體運行中的工作應力和罐體焊接結構的殘余應力。 由于 H2所提供的[H] 源，在罐體內表面產(chǎn)生腐蝕坑與氫致脆化層，隨著腐蝕坑的加深及脆化層厚度的增加，在應力的共同作用下，蝕坑底部和邊緣將首先形成微裂紋，在微裂紋前端將形成應力集中，在應力誘導下，氫將向裂紋前端的應力集中區(qū)擴散，當此部位氫的濃度達到臨界值時，在應力的作用下，就會發(fā)生啟裂和微裂的相應擴展。而后，氫又不斷向新的高應

13、力集中區(qū)擴散，這種過程可周而復始地進行，直至成為裂紋。另外，在裂紋向縱向擴展的同時，伸向母材厚度方向的裂紋尖端在應力集中、電化學腐蝕的共同作用下，不斷向母材厚度方向擴展延伸，造成應力腐蝕開裂。此類裂紋特點為裂紋分布位置不規(guī)則。從球罐裂紋的形狀和性質也驗證了裂紋產(chǎn)生的主要原因為應力腐蝕產(chǎn)生。 </p><p>　　3.0球罐裂紋修復措施 </p><p>　　據(jù)檢驗機構的檢驗報告缺陷分布圖，

14、結合缺陷的位置和性質，經(jīng)分析認為球罐的焊后熱處理效果不理想，焊接殘余應力沒有完全釋放，導致了焊縫裂紋的出現(xiàn)；另外，工作介質所造成的應力腐蝕導致了焊縫及熱影響區(qū)不規(guī)則裂紋的出現(xiàn)。針對球罐的具體情況制定了如下修復措施： </p><p>　　3.1 裂紋消除技術要求： </p><p>　　打磨對于深度不超過規(guī)定要求 (一般不超過3mm)的表面裂紋，由檢驗單位負責打磨消除，并對尖端和邊角進行打

15、磨圓滑過度斜率不小于1：4，打磨后經(jīng)磁粉檢測合格。對于深度超過規(guī)定要求的表面裂紋和超標埋藏缺陷進行返修處理。首先要利用超聲、磁粉確定缺陷的性質、位置，并針對性制定修復方案。對于表面裂紋采用砂輪機打磨清除缺陷，在打磨過程中注意觀察缺陷是否全部打磨干凈經(jīng)磁粉檢測確認，對于埋藏缺陷先用超聲波探傷定位的缺陷的深度，確定從外表面還是內表面進行挖補，在炭弧氣刨或砂輪打磨到一定深度后進行著色檢查確認缺陷是否消除。特別在缺陷兩端要打磨平整圓滑，避免裂紋

16、的繼續(xù)擴展，且打磨的長度不能小于50mm。打磨深度以缺陷消除為準，該罐打磨深度不能超過15mm。對于埋藏缺陷必須根據(jù)超聲定位其距離內外表面的深度，以確定從哪一側進行打磨，經(jīng)打磨、MT檢測合格后才能進行焊接。 </p><p>　　3．2 補焊技術要求 </p><p>　　Q345R屬低合金鋼，該鋼材的淬硬傾向較大，一方面馬氏體轉變時溫度下降太快，另一方面熱敏感區(qū)溫度下降太慢導致過熱 區(qū)出

17、現(xiàn)脆化。為保證焊接質量，焊接工藝制定的原則是使焊縫處于高溫時間較短，隨后冷卻速度較慢。反映到焊接工藝上則為：采用小的焊接線能量、快速多道焊、焊前低溫預熱等措施，以期獲得均勻的低碳回火馬氏體組織，確保焊縫的低溫韌性。安裝使用的焊條為E5015(TL一507) 焊條直徑(4.0 mm)，返修仍采用該型號焊條，采購的焊條必須具有質量證明書。因為該焊條已經(jīng)存儲一段時間，需要檢查其藥皮含水量等表觀質量，另外還要進行實際擴散氫的檢測 (氫含量應不大

18、于 4ml/100g)。對于焊條要嚴格干燥和保溫。焊接電流控制在 100～140 A，電壓 23～25V，焊接速度 8～11 cm／min。返修過程的焊接與球罐建造時的焊接工藝基本相同，焊前需要氧氣、乙炔進行預熱，預熱范圍至少以焊縫為中心每側100mm以上，預熱溫度控制在100～120℃。焊接線能量控制在合適的范圍內(20—25 kJ／cm)。修補焊層必須在兩層以上，采用多道多層焊接以便控制線 能量。焊接修補后使用氧氣、乙炔立即進行后熱

19、處</p><p>　　3．3 熱處理技術要求 </p><p>　　熱處理包括焊前預熱、層間加熱、焊后后熱及球罐的整體熱處理。焊前預熱可以有效防止冷裂紋，消除應力，焊前預熱主要采用火焰加熱，加熱溫度應嚴格控制在75 ～ 125 ℃。施焊時層間溫度須大于預熱溫度的下限值。后熱主要是消氫，同時也能韌化熱影響區(qū)和焊縫的組織，對防止冷裂紋非常有效，后熱溫度宜控制在200～250℃，時間在2h左右

20、。局部熱處采用電加熱法，其目的主要是消除應力，從而降低冷裂、脆斷的傾向，同時也降低SCC的傾向和改善接頭的組織。 </p><p>　　針對球罐的具體情況，采用電加熱法進行局部熱處，制定熱處理工藝。熱處理的溫度應控制在625℃ ± 25℃，恒溫1.2 h。加熱時，300 ℃以下不控制，300℃以上時升溫速度控制在50～ 80℃/h。降溫時，300 ℃以上降溫速度控制在30 ～50 ℃/h，300 ℃以下

21、自然冷卻。 </p><p>　　為徹底消除該條焊縫熱影響區(qū)繼續(xù)產(chǎn)生大量裂紋的趨勢，除了局部返修外，對集中出現(xiàn)裂紋的BC環(huán)焊縫進行整體熱處理，以改善該條焊縫的組織性能、降低硬度、提高材料韌性、消除應力集中，達到降低產(chǎn)生裂紋的敏感性的目的。熱處理方式采用單面加電阻加熱片，雙面保溫的方式進行，以焊縫為中心對稱安裝1條寬度 260mm的加熱帶，覆蓋整條焊縫。用硅酸鋁保溫棉進行雙面保溫，寬度為1200 mm。對應布18支

22、熱 電偶進行測溫，熱電偶需放置在焊縫，用保溫棉蓋住熱電偶端頭。對熱處理前后硬度進行了測量，對比同一位置的硬度值見表3。 </p><p>　　從表2可看出，熱處理后焊縫、熱影響區(qū)、母材的硬度值均有下降。說明熱處理有效改善了熱影響區(qū)的淬硬性，能夠極大程度地抑制裂紋的繼續(xù)產(chǎn)生。 </p><p>　　表2 熱處理前后硬 度(HB)對比 </p><p>　　3.4 應力

23、腐蝕預防措施 </p><p>　　根據(jù)球罐的工作介質特性，對熱處理后的球罐內壁噴涂兩道鋁粉，防止介質在罐體內表面產(chǎn)生腐蝕坑和氫致脆化層，從而避免應力腐蝕裂紋的再生成。 </p><p><b>　　4結語 </b></p><p>　　氫氣球罐在剛投入運行就產(chǎn)生如此多的裂紋,且裂紋走向大多為橫向,表明制造時BC焊縫殘余應力過大,又與使用介質產(chǎn)

24、生效應發(fā)展為應力腐蝕。通過這兩次全面檢驗，對BC焊縫裂紋進行返修并進行了有效整體熱處理,達到了抑制裂紋再次產(chǎn)生的效果。本臺氫氣球罐經(jīng)以上措施修復后，在運行一年后的開罐比照檢驗檢查中，沒有發(fā)現(xiàn)新的裂紋出現(xiàn)，證明修復措施和預防措施可靠有效，確保了球罐的安全運行。 </p><p>　　作者簡介：李轉運 高級工程師，1993年畢業(yè)于鄭州工學院化工機械專業(yè)，現(xiàn)從事特種設備管理工作。宋佳，助工，2010年畢業(yè)于河北工業(yè)大學