球罐的表面裂纹及处理

2022-08-03郑祖杰

石油和化工设备 2022年7期

郑祖杰

（江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院无锡市 214000)

1 基本信息

产生裂纹的设备是1000m3氮气球罐，制造标准为GB12337-1998《钢制球形储罐》、TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》，制造日期是2013年09月30日，设计压力为3.15MPa，设计温度为-19/50℃，主体材料是Q370R，材料标准是GB713-2008《锅炉和压力容器用钢板》，主体壁厚为48mm，腐蚀裕量为1.0mm，焊接接头系数是1.0，允许/监控使用压力为3.00MPa，首次检验日期是2019年03月，使用压力范围为1.50～2.40MPa，使用温度范围为-10～50℃，使用介质是氮气。

2 使用条件

该球罐设计压力3.15MPa，平时使用压力最高2.4MPa。据使用单位反映，由于炼钢用气量较大，每次用气会产生0.3～0.5MPa的压力波动，每天波动100多次，一年波动5000次左右，六年总计波动已有30000次左右。根据JB4732-1995《钢制压力容器分析设计标准》（R2005）第3.10条“疲劳分析的免除”，该球罐压力波动范围0.5MPa，未超过设计压力的20%（0.63MPa），循环次数不计，而全范围压力循环次数及温度波动循环次数总和不超过1000次，属于3.10条规定的可免除疲劳分析的情况。因此，疲劳载荷可不做为缺陷产生的主要原因来考虑。

3 裂纹产生原因分析

此次磁粉检测发现的裂纹大都位于下极与下温带连接处，相对比较集中，考虑存在强力组装和热处理工艺控制不良导致的应力无法释放。依据检验方案，对焊接接头外表面进行100%磁粉检测、内表面进行100%荧光磁粉检测，共发现几十处处表面裂纹，有纵向裂纹（图2、图4）、又有横向裂纹（图3），少数延伸至热影响区。其中有一条纵向焊趾裂纹，断断续续总计500mm（图1）。对裂纹进行打磨消除后，形成的凹坑最深12mm。此外还有一部分细小裂纹（图4）位于热影响区旁，打磨消除，深度小于0.5mm。

图1 球罐平面示意图

图2 AG焊缝上的焊趾裂纹

图3 横向裂纹

图4 纵向裂纹

图5 引弧产生的细小裂纹

（1）在资料审查中，发现球壳板材料为Q370R，厚度为48mm，正火态供货，球壳板有监督检验报告；使用的焊条为J557RH低氢焊条,有扩散氢测试报告，符合GB/T5118-1995的标准要求。

（2）在资料审查中，发现施焊时间在2012年12月至2013年1月期间，此时当地气温在-5℃左右，工件预热至150℃。

（3）实际检测中，球壳板最低厚度为47.5mm，硬度值抽查为180-289HB，裂纹附件的焊缝、母材及热影响区并无明显差异。

在不考虑疲劳影响，排除交变应力因素后来看，此次检验中，绝大多数裂纹处于赤道带与下寒带之间的那道AG焊缝，其他焊缝及热影响区上只有极少数的裂纹。根据资料审查结果、用户交流沟通及现场裂纹的实际来看，裂纹的产生是原因有三个：一是强力组装，导致应力集中；二焊接难度较大，焊工未按焊接工艺操作，使用了较大的电流；三是焊工焊接操作不规范，安装时正直冬季，气温较低，未按照要求进行足够时间的预热。此外，从现场裂纹的位置具体展开来说：

（1）AG焊缝的外侧焊接在整个球罐焊接中难度最大。焊缝与水平面呈45°的夹角，高度在焊工上方，对焊工的仰焊操作水平要求较高。一旦电流电压控制不好，导致成形焊缝存在淬硬组织。

（2）在检验过程中，发现部分焊缝的错变量过大，以及棱角度等问题，推测球壳板在组对过程中存在强力组装的问题，由于AG焊缝是最后一道焊缝，在焊接完成后，之前放松状态下的球壳板立即因为AG焊缝的完成而产生应力集中。

（3）在工卡具的焊接上，引弧点和熄弧点应当在工卡具的焊接上，但根据磁粉检测，焊工在操作时在非焊接位置上的随意引弧，导致出现细小的表面裂纹（图2）。

4 裂纹处理

对于细小的裂纹，直接进行打磨消除，并保持圆滑，并经磁粉复检合格；对于其他的近表面裂纹，打磨之后凹坑深度C为12～14mm，根据TSG21-2016中的无量纲参数计算公式G0=C/T×A/(RT)1/2,凹坑深度C不满足小于壁厚T的1/3并且小于12mm的条件，因此需要返修补焊。返修补焊程序首先打磨清除裂纹，打磨坡口至光亮，经MT检测无缺陷；焊材采用J557RH低氢焊条，规格φ3.2，经300℃烘干1小时后方可使用；焊接时局部预热至125～175℃，焊接时使用方法SMAW，焊接电流直流反接，电流120～130A，电压23～25V焊接速度16～18cm/min，线能量小于15.9KJ/cm，控制道间温度，不低于预热温度且≤230℃；返修完成后打磨焊缝至母材齐平，无飞溅，咬边等缺陷；对返修部位及热影响区进行TOFD检测及磁粉检测，无裂纹、未熔合、未焊透、气孔、夹渣等缺陷焊接完毕后进行局部消应力热处理，使用履带片包扎，固定热电偶，边缘覆盖岩棉，防止产生有害温度梯度，均温带须覆盖返修部位及热影响区，尽量包含周围母材，从常温升温至400℃后，须控制升温速度，50～80℃/h，在575±20℃的条件下，保温时间不小于1.92h，之后以30～50℃/h的速度降温至400℃，停止加热，空冷。耐压试验压力根据允许/监控使用压力计算，耐压试验压力为3.75Mpa。缓慢升至试验压力3.75Mpa后，保压30min，随后降压至允许/监控使用压力3.00Mpa，保压30min，整个过程无渗漏，无可见变形，无异响。至此，返修程序方可结束。