在役氫氣球罐的裂紋分析及修復(fù)

1、<p>　　在役氫氣球罐的裂紋分析及修復(fù)</p><p>　　摘要：燃?xì)鈪^(qū) 一臺400 m3氫氣球罐，運(yùn)行三年后首次檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有不同程度的裂紋，為此從球罐組裝、焊接、材質(zhì)、機(jī)械損傷、應(yīng)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(nèi)部缺陷的清除、修復(fù)、熱處理及防腐等方面提出了修復(fù)和預(yù)防措施。 實(shí)踐證明，修復(fù)和預(yù)防措施有效可靠，保證了球罐的安全運(yùn)行。 </p>

2、;<p>　　關(guān)鍵詞： 球罐裂紋分析修復(fù)措施 </p><p>　　中圖分類號：TG21+3文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A </p><p><b>　　1.0球罐概況 </b></p><p>　　焦?fàn)t煤氣制氫裝置氫氣球罐 B532由中冶天工結(jié)構(gòu)容器分公司按 GB12337和GB150規(guī)范設(shè)計(jì)，球殼板材為Q345R，由中冶天工鋼構(gòu)容器分公司壓

3、制成球片，2009年由中冶天工鋼構(gòu)容器分公司現(xiàn)場組裝，2009年末投用。2012年經(jīng)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了首次開罐檢驗(yàn)，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(yàn)未發(fā)現(xiàn)新生缺陷。球罐技術(shù)參數(shù)如下： </p><p>　　容器類別：Ⅲ 設(shè)計(jì)壓力：2.0MPa 設(shè)計(jì)溫度:50℃ </p><p>　　介質(zhì)：氫氣 材質(zhì)：Q345R容積 400m3

4、</p><p>　　板厚：30mm 焊條：J507 </p><p>　　1.1 首次開罐檢驗(yàn)情況 </p><p>　　該球罐投用三年后首次開罐檢驗(yàn)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(nèi)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(biāo)缺陷，經(jīng)打磨消除。其中12處 (深度小于3mm)，無需補(bǔ)焊，其余8處打磨深度超過3mm(深度為3～6

5、.2mm), 補(bǔ)焊返修由球罐原制造安裝單位實(shí)施，對返修后的位置采用局部熱處理，復(fù)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(yàn)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(yàn)發(fā)現(xiàn)的裂紋位置、大小及打磨深度表。 </p><p>　　表1檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的裂紋位置、大小及打磨深度表 </p><p>　　2.0 導(dǎo)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(dá)不到規(guī)范要求而進(jìn)行強(qiáng)力組裝，就會產(chǎn)生約束應(yīng)力，焊后應(yīng)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(shí)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(zhì)量非常有利，但容易出現(xiàn)北溫帶板與赤道帶的強(qiáng)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(yàn)發(fā)現(xiàn)該處焊縫部位錯邊量達(dá)2-3mm，棱角度達(dá)8mm，對于Q345R低合金鋼板材容易導(dǎo)致焊縫的殘余應(yīng)力非常高。該處環(huán)焊縫在組裝完成后便存在著內(nèi)應(yīng)力和結(jié)構(gòu)

9、應(yīng)力，這種應(yīng)力在焊后整體熱處理完成后也難以完全消除。所以導(dǎo)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(shí)裂紋容易擴(kuò)張；焊接次序的不合理，導(dǎo)致球殼內(nèi)的應(yīng)力不能最大限度地釋放，而后的殘余應(yīng)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(yù)熱及后熱等不當(dāng)，也容易使球罐產(chǎn)生裂紋。 </p><p><b>　　2.3材質(zhì)因素 </b></p><p>　　氫含量的增加，使材料脆性升高，硬度增加，導(dǎo)致韌性下降，擴(kuò)散氫量對冷裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展起了一定作用，在含氫量較高，而預(yù)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(jié)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(jié)晶裂紋的傾向。 </p><p>　　2.4機(jī)械損傷因素 </p><p>　　球罐組對時(shí)臨時(shí)焊接的工夾具部位，其硬度高于其他部位，其殘余應(yīng)力也較高，容易產(chǎn)生裂紋。球罐板在運(yùn)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(yīng)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(yīng)力和介質(zhì)氫H2。高應(yīng)力包括：罐體運(yùn)行中的工作應(yīng)力和罐體焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力。 由于 H2所提供的[H] 源，在罐體內(nèi)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(yīng)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(yīng)力集中，在應(yīng)力誘導(dǎo)下，氫將向裂紋前端的應(yīng)力集中區(qū)擴(kuò)散，當(dāng)此部位氫的濃度達(dá)到臨界值時(shí)，在應(yīng)力的作用下，就會發(fā)生啟裂和微裂的相應(yīng)擴(kuò)展。而后，氫又不斷向新的高應(yīng)

13、力集中區(qū)擴(kuò)散，這種過程可周而復(fù)始地進(jìn)行，直至成為裂紋。另外，在裂紋向縱向擴(kuò)展的同時(shí)，伸向母材厚度方向的裂紋尖端在應(yīng)力集中、電化學(xué)腐蝕的共同作用下，不斷向母材厚度方向擴(kuò)展延伸，造成應(yīng)力腐蝕開裂。此類裂紋特點(diǎn)為裂紋分布位置不規(guī)則。從球罐裂紋的形狀和性質(zhì)也驗(yàn)證了裂紋產(chǎn)生的主要原因?yàn)閼?yīng)力腐蝕產(chǎn)生。 </p><p>　　3.0球罐裂紋修復(fù)措施 </p><p>　　據(jù)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的檢驗(yàn)報(bào)告缺陷分布圖，

14、結(jié)合缺陷的位置和性質(zhì)，經(jīng)分析認(rèn)為球罐的焊后熱處理效果不理想，焊接殘余應(yīng)力沒有完全釋放，導(dǎo)致了焊縫裂紋的出現(xiàn)；另外，工作介質(zhì)所造成的應(yīng)力腐蝕導(dǎo)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(fù)措施： </p><p>　　3.1 裂紋消除技術(shù)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(yàn)單位負(fù)責(zé)打磨消除，并對尖端和邊角進(jìn)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(biāo)埋藏缺陷進(jìn)行返修處理。首先要利用超聲、磁粉確定缺陷的性質(zhì)、位置，并針對性制定修復(fù)方案。對于表面裂紋采用砂輪機(jī)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(rèn)，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(nèi)表面進(jìn)行挖補(bǔ)，在炭弧氣刨或砂輪打磨到一定深度后進(jìn)行著色檢查確認(rèn)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(kuò)展，且打磨的長度不能小于50mm。打磨深度以缺陷消除為準(zhǔn)，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(nèi)外表面的深度，以確定從哪一側(cè)進(jìn)行打磨，經(jīng)打磨、MT檢測合格后才能進(jìn)行焊接。 </p><p>　　3．2 補(bǔ)焊技術(shù)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(zhuǎn)變時(shí)溫度下降太快，另一方面熱敏感區(qū)溫度下降太慢導(dǎo)致過熱 區(qū)出

17、現(xiàn)脆化。為保證焊接質(zhì)量，焊接工藝制定的原則是使焊縫處于高溫時(shí)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(yù)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(zhì)量證明書。因?yàn)樵摵笚l已經(jīng)存儲一段時(shí)間，需要檢查其藥皮含水量等表觀質(zhì)量，另外還要進(jìn)行實(shí)際擴(kuò)散氫的檢測 (氫含量應(yīng)不大

18、于 4ml/100g)。對于焊條要嚴(yán)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(shí)的焊接工藝基本相同，焊前需要氧氣、乙炔進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱范圍至少以焊縫為中心每側(cè)100mm以上，預(yù)熱溫度控制在100～120℃。焊接線能量控制在合適的范圍內(nèi)(20—25 kJ／cm)。修補(bǔ)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(bǔ)后使用氧氣、乙炔立即進(jìn)行后熱

19、處</p><p>　　3．3 熱處理技術(shù)要求 </p><p>　　熱處理包括焊前預(yù)熱、層間加熱、焊后后熱及球罐的整體熱處理。焊前預(yù)熱可以有效防止冷裂紋，消除應(yīng)力，焊前預(yù)熱主要采用火焰加熱，加熱溫度應(yīng)嚴(yán)格控制在75 ～ 125 ℃。施焊時(shí)層間溫度須大于預(yù)熱溫度的下限值。后熱主要是消氫，同時(shí)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(shí)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(yīng)力，從而降低冷裂、脆斷的傾向，同時(shí)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(jìn)行局部熱處，制定熱處理工藝。熱處理的溫度應(yīng)控制在625℃ ± 25℃，恒溫1.2 h。加熱時(shí)，300 ℃以下不控制，300℃以上時(shí)升溫速度控制在50～ 80℃/h。降溫時(shí)，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(jìn)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(yīng)力集中，達(dá)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(jìn)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(jìn)行雙面保溫，寬度為1200 mm。對應(yīng)布18支

22、熱 電偶進(jìn)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(jìn)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(yīng)力

23、腐蝕預(yù)防措施 </p><p>　　根據(jù)球罐的工作介質(zhì)特性，對熱處理后的球罐內(nèi)壁噴涂兩道鋁粉，防止介質(zhì)在罐體內(nèi)表面產(chǎn)生腐蝕坑和氫致脆化層，從而避免應(yīng)力腐蝕裂紋的再生成。 </p><p><b>　　4結(jié)語 </b></p><p>　　氫氣球罐在剛投入運(yùn)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(shí)BC焊縫殘余應(yīng)力過大,又與使用介質(zhì)產(chǎn)

24、生效應(yīng)發(fā)展為應(yīng)力腐蝕。通過這兩次全面檢驗(yàn)，對BC焊縫裂紋進(jìn)行返修并進(jìn)行了有效整體熱處理,達(dá)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(fù)后，在運(yùn)行一年后的開罐比照檢驗(yàn)檢查中，沒有發(fā)現(xiàn)新的裂紋出現(xiàn)，證明修復(fù)措施和預(yù)防措施可靠有效，確保了球罐的安全運(yùn)行。 </p><p>　　作者簡介：李轉(zhuǎn)運(yùn) 高級工程師，1993年畢業(yè)于鄭州工學(xué)院化工機(jī)械專業(yè)，現(xiàn)從事特種設(shè)備管理工作。宋佳，助工，2010年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)