袁衛(wèi)東，羅俊勇

（樂山市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，四川 樂山 614000）

一、概況

四川德勝集團(tuán)鋼鐵有限公司3#1 000m3氧氣球罐用于儲(chǔ)存鋼鐵生產(chǎn)所需的中壓氧氣，保證氧氣輸出壓力穩(wěn)定。該球罐球殼板于2009年投用，球罐的有關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 氧氣球罐技術(shù)參數(shù)

二、裂紋的基本情況

該球罐于2010年10月進(jìn)行首次開罐全面檢驗(yàn)。對(duì)球罐進(jìn)行磁粉檢測，共發(fā)現(xiàn)七條表面裂紋，均分布在焊縫熱影響區(qū)，長度8～20mm不等。

裂紋位于赤道帶與下極帶環(huán)縫的內(nèi)表面熱影響區(qū)。根據(jù)裂紋磁痕判斷，該裂紋應(yīng)當(dāng)具有一定的深度。為給制定裂紋的修復(fù)方案提供更多的信息，采用超聲波方法對(duì)裂紋進(jìn)行了檢測。分別采用K1、K1.5、K2的探頭對(duì)該裂紋進(jìn)行掃查，回波信號(hào)具有如下特點(diǎn)：回波當(dāng)量不高，采用K1、K2探頭時(shí)回波當(dāng)量僅位于定量線上4～6dB，K1.5探頭回波在定量線上下波動(dòng)；最大指示長度與磁痕顯示長度大體相當(dāng)；反射信號(hào)具有明顯的游動(dòng)回波特征，在一次波附近和34mm左右深度處回波出現(xiàn)極大值。根據(jù)超聲波檢測情況看，裂紋自身高度大于12mm，已超過TSGR7001-2004《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》所允許的凹坑深度，因此必須去除裂紋后對(duì)形成的凹坑進(jìn)行補(bǔ)焊。

用砂輪打磨去除裂紋，并采用表面無損檢測手段判斷裂紋去除情況。該裂紋沿深度方向形狀發(fā)生明顯變化并向焊縫延伸，打磨至距母材內(nèi)表面下5mm處，裂紋長度最大，約25mm，裂紋中部靠左側(cè)發(fā)現(xiàn)一處4mm×8mm的渣狀平面缺陷，裂紋正是在此處向兩端擴(kuò)展，這應(yīng)當(dāng)就是裂紋的發(fā)源地。繼續(xù)打磨至距內(nèi)表面15mm深處時(shí)，滲透檢測表明裂紋消失。

三、裂紋原因分析

07MnCrMoVR鋼是多元微量合金化的低碳低合金調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼，具有高強(qiáng)度和低裂紋敏感性，其優(yōu)點(diǎn)在于焊前不預(yù)熱或稍加預(yù)熱而不致產(chǎn)生裂紋，具有優(yōu)良的焊接性能和低溫韌性。07MnCrMoVR鋼調(diào)質(zhì)狀態(tài)供貨，金相組織主要是板條狀的回火馬氏體、回火索氏體和貝氏體的混合組織。其所占的比例隨板材厚度方向而異，鋼板表面的回火馬氏體和索氏體占2/3以上，因此，鋼材（特別是表層）的強(qiáng)度和硬度較高。目前，07MnCrMoVR鋼已廣泛應(yīng)用于氧氣、氮?dú)狻⑻烊粴?、液化石油氣、丙烯、乙烯等球罐?/p>

為保證07MnCrMoVR的焊接性能，將鋼的碳含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）控制在0.09%以下；為保證室溫下施焊不產(chǎn)生裂紋，焊接冷裂紋敏感指數(shù)Pcm值控制在0.20%以下，且控制焊接材料擴(kuò)散氫含量。07MnCrMoVR鋼制設(shè)備失效形式的報(bào)道來看，主要為高強(qiáng)鋼、高殘余應(yīng)力和特定介質(zhì)的組合原因產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕裂紋。同時(shí)，07MnCrMoVR鋼的含碳量低（≤0.09%），其高強(qiáng)度是通過鋼中加入Cr、Mo、V等碳化物形成元素的彌散強(qiáng)化以及添加B等淬透性強(qiáng)的元素來達(dá)到的。強(qiáng)化元素在滿足高強(qiáng)度的同時(shí)又涉及到焊后整體熱處理產(chǎn)生再熱裂紋的問題，這成為該材料的又一失效原因。

07MnCrMoVR鋼產(chǎn)生再熱裂紋機(jī)理是：鋼中含Cr、Mo、V等元素，這些元素以合金碳化物的形式強(qiáng)化基體，但在焊接時(shí)，臨近熔合線的母材被加熱到1 300℃左右，鋼中的合金碳化物被溶解，焊后來不及析出，而在隨后的消除應(yīng)力熱處理過程中，這些合金碳化物在晶內(nèi)彌散析出，從而強(qiáng)化了晶內(nèi)，使應(yīng)力松弛時(shí)的塑性變形由晶界金屬來承擔(dān)。同時(shí)，片條狀的碳化物、硼和雜質(zhì)元素易偏析于晶界，在拘束力較大的場合下，加速鋼材沿晶界開裂，這就是焊后整體熱處理過程中產(chǎn)生再熱裂紋的原因。

焊接是一典型的局部冶金過程，在制造過程中受到多種熱加工，導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度、塑性、韌性發(fā)生明顯變化。焊接過程中，焊接溫度場溫度由金屬熔化溫度逐步降低至常溫。07MnCrMoVR鋼制造時(shí)經(jīng)淬火、回火熱處理保證了供貨狀態(tài)的強(qiáng)度，但球罐安裝中因焊接熱加工的影響，焊縫熱影響區(qū)存在高于回火溫度的區(qū)域，使該區(qū)域發(fā)生相變，改變了材料供貨狀態(tài)，導(dǎo)致材料綜合性能下降。在高于相變溫度以上區(qū)域，由于焊接溫度場的作用，冷卻速度不及鋼板制造時(shí)的速度，造成晶粒粗大，形成一些粗大馬氏體、鐵素體等的混合組織，塑性和韌性顯著下降，低于相變溫度區(qū)域，由于重結(jié)晶的影響，07MnCrMoVR鋼金相組織中的回火馬氏體明顯減少，導(dǎo)致該部位材料的屈服強(qiáng)度顯著下降。

根據(jù)07MnCrMoVR鋼的壁厚情況，目前球罐實(shí)際安裝時(shí)采用焊后熱處理和不熱處理兩種方式。目前文獻(xiàn)中一些數(shù)據(jù)表明：無論是否熱處理，這類球罐的殘余應(yīng)力水平都比較高。此球罐裂紋位于赤道與下極板連接環(huán)縫上，球罐組裝和焊接時(shí)，該縫為最后裝配與焊合部位，組合質(zhì)量的不足和焊接變形均需在該部位得到最后的調(diào)整；焊后熱處理時(shí)，該縫處于溫度相對(duì)較低區(qū)域，升溫、降溫速度不均會(huì)形成溫差應(yīng)力，因此該縫較其他部位必然存在相對(duì)更明顯的殘余應(yīng)力。

本臺(tái)球罐安裝時(shí)，按照GB50094的要求，100%γ射線和100%超聲波檢測在焊后超過36h進(jìn)行，熱處理前進(jìn)行了100%的磁粉檢測，均無異常情況記載。射線檢測所用膠片為T2型膠片，再次復(fù)查裂紋部位底片，未發(fā)現(xiàn)異常。

顯然，儲(chǔ)存高純度氧氣的球罐不具備應(yīng)力腐蝕的條件，裂紋產(chǎn)生的原因應(yīng)當(dāng)是由于材料具有較大的再熱裂紋傾向，焊接熱循環(huán)使熱影響區(qū)母材供貨狀態(tài)改變造成性能退化，加之該部位存在缺陷從而成為裂紋萌生源，在焊后熱處理升降溫?zé)釕?yīng)力和無法消除的殘余應(yīng)力綜合作用下使該部位缺陷發(fā)生擴(kuò)展，形成裂紋。由于安裝過程中超過設(shè)計(jì)壓力的耐壓試驗(yàn)、投用后工作應(yīng)力波動(dòng)等聯(lián)合作用可能逐步擴(kuò)展，最終形成定期檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的裂紋狀況。

可以說，該裂紋與標(biāo)準(zhǔn)的不完善有一定聯(lián)系。《壓力容器安全技術(shù)規(guī)程》（99版）雖要求“有再熱裂紋傾向的材料應(yīng)在熱處理后再增加一次無損檢測”，但對(duì)比例、方法未作具體規(guī)定。作為球罐技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的GB50094和GB12337，GB50094要求“球罐壓力試驗(yàn)后應(yīng)進(jìn)行磁粉檢測或滲透檢測，復(fù)查比例應(yīng)為焊縫全長的20%以上”。GB12337在熱處理后和耐壓試驗(yàn)后未進(jìn)行表面磁粉檢測（包括全部或局部）的規(guī)定。該球罐設(shè)計(jì)者僅引用了上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的基本要求，安裝單位壓力試驗(yàn)后只在外表面進(jìn)行了20%的磁粉檢測，在一定程度上導(dǎo)致了具有較大再熱裂紋傾向的07MnCrMoVR鋼制球罐裂紋在安裝階段未能消除。

鑒于上述分析，本臺(tái)球罐裂紋打磨凹坑的補(bǔ)焊，除按GB50094和GB12337進(jìn)行施工和驗(yàn)收外，熱處理后對(duì)補(bǔ)焊部位再次進(jìn)行了磁粉和超聲波檢測，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

四、檢驗(yàn)建議

1.07MnCrMoVR鋼具有一定再熱裂紋傾向，焊后熱影響區(qū)母材供貨狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，是焊接結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，因此該部位應(yīng)當(dāng)作為制造和在用檢驗(yàn)中的重點(diǎn)。檢測方法的選擇應(yīng)以對(duì)裂紋敏感的磁粉檢測和超聲波檢測為主，超聲波檢測中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注具有游動(dòng)信號(hào)特征的反射回波，對(duì)該類信號(hào)采用TOFD超聲波檢測會(huì)取得更好的效果。

2.應(yīng)加強(qiáng)鋼板，特別是坡口附近質(zhì)量的檢查。按照球罐技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)球殼板周邊100mm按JB4730進(jìn)行超聲波檢測，但Ⅱ級(jí)的合格級(jí)別允許的缺陷長度和面積較大，從本案例的情況來看，允許存在的鋼板缺陷指標(biāo)對(duì)保證熱影響區(qū)質(zhì)量來說顯得控制不夠。但有缺陷也不意味著一定會(huì)擴(kuò)展，因此建議對(duì)球殼板周邊100mm采用JB4730中C級(jí)掃查的方式，對(duì)超過20%的缺陷信號(hào)進(jìn)行首先記錄，球罐最終檢驗(yàn)前對(duì)位于熱影響區(qū)的母材有缺陷部位進(jìn)行表面缺陷和埋藏缺陷檢測。

3.無損檢測時(shí)機(jī)?？紤]到07MnCrMoVR鋼具有較大再熱裂紋傾向，形成裂紋的原因與焊接殘余應(yīng)力、焊接施工規(guī)范、組裝質(zhì)量等多種因素相關(guān)。裂紋主要在表面形成，建議在熱處理或水壓試驗(yàn)之后進(jìn)行100%磁粉檢測，對(duì)懷疑部位進(jìn)行超聲波檢測。

4.首次定期檢驗(yàn)。TSGR7001-2004《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》要求使用標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限σb≥540MPa材料制造的球形儲(chǔ)罐應(yīng)在投用1年后開罐檢驗(yàn)，因此對(duì)于有可能存在再熱裂紋或延遲裂紋的07MnCrMoVR鋼制球罐若需延期檢驗(yàn)應(yīng)持審慎態(tài)度。對(duì)球罐焊接接頭內(nèi)外表面、工卡具焊跡處等部位定期檢驗(yàn)中至少應(yīng)進(jìn)行100%磁粉檢測。

[1]強(qiáng)天鵬.壓力容器檢驗(yàn)[M].北京：新華出版社，2008.

[2]袁榕等.對(duì)某些CF-62鋼制壓力容器中的裂紋分析與防止措施的建議[J].壓力容器.2003，20(2).