07MnCrMoVR鋼制球罐檢驗(yàn)案例分析

丁曉瀅 胡 晨

（上海金藝檢測(cè)技術(shù)有限公司）

壓力容器

07MnCrMoVR鋼制球罐檢驗(yàn)案例分析

丁曉瀅*胡 晨

（上海金藝檢測(cè)技術(shù)有限公司）

07MnCrMoVR是一種低合金高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼，作為國(guó)產(chǎn)低焊接裂紋敏感性鋼，廣泛應(yīng)用于球罐和大型儲(chǔ)罐等壓力容器。通常鋼制球罐體積較大，因此對(duì)其制造、組裝和焊接的要求也更高。鋼制球罐在使用過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋，因此在球罐定期檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)注重對(duì)球罐對(duì)接焊縫內(nèi)表面的檢測(cè)，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋，保證球罐的安全運(yùn)行。

球罐 裂紋 低合金鋼 焊縫 表面缺陷 無(wú)損檢測(cè) 壓力容器

0 概述

最近，我們對(duì)某鋼鐵公司一臺(tái)650 m3氮?dú)馇蚬捱M(jìn)行了第三次定期檢驗(yàn)。該臺(tái)球罐結(jié)構(gòu)為混合式，由30塊球殼板拼接組成，由8根支柱支承，支柱形式為赤道正切式。球罐對(duì)接焊縫總長(zhǎng)約235 m，角焊縫總長(zhǎng)為30 m，焊接方法為手工電弧焊。球罐主要參數(shù)見(jiàn)表1。

該球罐前二次定期檢驗(yàn)情況如表2所示。

由于生產(chǎn)原因，該球罐工作壓力在2.6～2.8 MPa之間波動(dòng)。該球罐材質(zhì)07MnCrMoVR是一種低合金高強(qiáng)鋼，含碳量較低 （≤0.09%）。降低碳含量有利于提高鋼的抗冷裂性和低溫沖擊韌性，但同時(shí)也會(huì)降低鋼材的強(qiáng)度。07MnCrMoVR鋼一方面通過(guò)添加合金元素和進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚韥?lái)保證其高強(qiáng)度；另一方面通過(guò)嚴(yán)格控制有害元素S、P的含量來(lái)降低其熱裂紋傾向[1]。對(duì)該球罐對(duì)接焊縫內(nèi)表面裂紋的檢測(cè)，是本次檢驗(yàn)的重點(diǎn)。

1 檢驗(yàn)項(xiàng)目[2]

1.1 原始資料及球罐運(yùn)行情況審查

（1）查閱球罐設(shè)計(jì)、制造、安裝等有關(guān)竣工驗(yàn)收文件和資料。

（2）查閱球罐工況資料以及運(yùn)行記錄，包括開(kāi)停車(chē)記錄、載荷變化情況、運(yùn)行中出現(xiàn)的異常情況等資料。

表1 球罐主要參數(shù)

表2 球罐前二次定期檢驗(yàn)情況匯總

（3）查閱球罐檢驗(yàn)、檢查資料，包括球罐定期檢驗(yàn)周期內(nèi)的年度檢查報(bào)告和上一次的定期檢驗(yàn)報(bào)告。

1.2 宏觀檢查

該球罐焊縫的外部展開(kāi)圖如圖1所示。

圖1 球罐展開(kāi)圖

經(jīng)宏觀檢查可知：球罐外表面未發(fā)現(xiàn)油漆剝落；內(nèi)表面無(wú)機(jī)富鋅涂層完好；支柱斜拉桿調(diào)節(jié)螺栓沒(méi)有腐蝕和松動(dòng)；支柱基礎(chǔ)完好；上下人孔法蘭主螺栓完好；球罐進(jìn)出氣管法蘭完好。錯(cuò)邊量、棱角度、咬邊及焊縫余高均未超出制造標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 支柱垂直度偏差測(cè)量[3]

按照GB 12337—2010標(biāo)準(zhǔn)，支柱垂直度允許偏差應(yīng)≤10 mm。實(shí)測(cè)結(jié)果如表3所示。

由表3可知，2#、5#、7#、8#支柱垂直度偏差屬一般超標(biāo)，可不作處理。

表3 支柱垂直度偏差測(cè)量結(jié)果(mm)

1.4 超聲測(cè)厚

球罐測(cè)厚位置選在每個(gè)丁字接頭 （或Y字接頭）處，對(duì)有銹蝕的部位和上次裂紋打磨消除部位進(jìn)行局部多點(diǎn)測(cè)厚。本次檢驗(yàn)對(duì)球罐殼體測(cè)厚點(diǎn)共有180點(diǎn) （每個(gè)Y字接頭或丁字接頭部位需測(cè)厚3點(diǎn)），實(shí)測(cè)最小壁厚為41.00 mm，位于F5焊縫和F6焊縫相交的(Y字接頭)部位，如圖1所示。按GB 150標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壁厚校核，以檢驗(yàn)周期為3年計(jì)算，實(shí)測(cè)的最小壁厚滿足強(qiáng)度要求[4]。具體計(jì)算如下：

式中pw——計(jì)算允許的最高工作壓力；

δe——計(jì)算厚度；

[σ]t——材料的許用應(yīng)力，[σ]t＝203 MPa；

Di——球罐內(nèi)直徑，Di＝10 700 mm；

φ——焊接接頭系數(shù)，φ＝1。

計(jì)算厚度δe其值等于實(shí)測(cè)最小壁厚減去下一個(gè)檢驗(yàn)周期腐蝕裕量。該球罐使用年限為9年，如下一檢驗(yàn)周期定為3年，則

經(jīng)計(jì)算，pw大于球罐安全閥開(kāi)啟壓力2.88 MPa。

1.5 表面缺陷檢測(cè)

表面缺陷檢測(cè)以磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)為主。

對(duì)球罐球殼對(duì)接焊縫內(nèi)表面及熱影響區(qū)作100%熒光磁粉檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)5處縱向表面裂紋 （最長(zhǎng)15 mm）及1條長(zhǎng)15 mm的橫向表面裂紋 （如圖2所示）。5處縱向表面裂紋打磨后已消除，磁粉復(fù)檢合格，打磨深度不超過(guò)1 mm，并圓滑過(guò)渡。球罐頂部F1與F2板對(duì)接焊縫內(nèi)表面發(fā)現(xiàn)的長(zhǎng)15 mm橫向裂紋缺陷，經(jīng)超聲檢測(cè)該缺陷指示長(zhǎng)度25 mm，裂紋深度30 mm （基準(zhǔn)為內(nèi)表面），如圖3所示；對(duì)缺陷外表面相應(yīng)部位進(jìn)行磁粉檢測(cè)抽查，未發(fā)現(xiàn)缺陷磁痕顯示。

圖2 球罐對(duì)接焊縫內(nèi)表面裂紋

圖3 球罐對(duì)接焊縫內(nèi)表面裂紋超聲檢測(cè)深度

對(duì)該球罐8根支柱與球罐本體相連接的焊縫、球罐上下兩個(gè)人孔接管與球罐本體連接的角焊縫、球罐上下兩個(gè)人孔上的主螺栓進(jìn)行滲透檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)缺陷痕跡顯示，按NB/T 47013.5—2015標(biāo)準(zhǔn)評(píng)為Ⅰ級(jí)，滲透檢測(cè)合格。

1.6 埋藏缺陷檢測(cè)

對(duì)球罐對(duì)接焊縫進(jìn)行超聲檢測(cè)抽查，抽查部位為部分T字接頭 （三條焊縫各檢測(cè)500 mm長(zhǎng)度），未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷顯示，按NB/T 47013.3—2015標(biāo)準(zhǔn)評(píng)為Ⅰ級(jí)，超聲檢測(cè)合格。

1.7 安全附件檢查

對(duì)安全閥進(jìn)行解體、清洗并脫脂，在校驗(yàn)臺(tái)上校驗(yàn)合格后，鉛封掛牌，并注明安全閥開(kāi)啟壓力和有效期。對(duì)排污閥等截止閥也進(jìn)行解體、清洗及脫脂，并經(jīng)耐壓氣密試驗(yàn)合格。壓力表交法定計(jì)量部門(mén)檢定合格，并符合 《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定的精度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2 超標(biāo)缺陷處理[5]

經(jīng)磁粉檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的15 mm長(zhǎng)的橫向表面裂紋（其深度30 mm）需進(jìn)行焊接返修。根據(jù) TSG R0004—2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱(chēng) 《固容規(guī)》）的規(guī)定，球殼板間的焊接接頭的補(bǔ)焊屬于壓力容器的重大修理。重大修理方案應(yīng)經(jīng)過(guò)原設(shè)計(jì)單位或具有相應(yīng)資質(zhì)的設(shè)計(jì)單位的同意。重大修理的施工過(guò)程必須經(jīng)過(guò)具有相應(yīng)資質(zhì)的特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)督檢驗(yàn)。從事壓力容器維修的單位應(yīng)當(dāng)是已取得相應(yīng)的制造許可證或者安裝改造維修許可證的單位。

圖4 07MnCrMoVR球罐熱處理工藝曲線

返修部位在焊接36 h后應(yīng)進(jìn)行射線檢測(cè)，射線檢測(cè)按NB/T 47013.2—2015標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ級(jí)為合格。返修部位射線檢測(cè)合格后還應(yīng)進(jìn)行超聲波檢測(cè)，按NB/T 47013.3—2015標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級(jí)為合格。返修部位表面還應(yīng)進(jìn)行100%磁粉檢測(cè)，按NB/T 47013.5—2015標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級(jí)為合格。按照球罐的設(shè)計(jì)要求，焊接返修后，返修部位必須經(jīng)射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)合格后才能進(jìn)行球罐局部熱處理。球罐局部返修部位采用電加熱法進(jìn)行熱處理，熱處理工藝曲線見(jiàn)圖4。由于07MnCrMoVR在650℃有一定的再熱裂紋敏感性，為避免誘發(fā)返修部位的再熱裂紋，根據(jù) GB 50094—2010《球形儲(chǔ)罐施工規(guī)

式中η——耐壓試驗(yàn)壓力系數(shù)，按《固容規(guī)》的第4.1節(jié)要求取1.25p；

p——球罐最高工作壓力；

[σ]——試驗(yàn)溫度下材料的許用應(yīng)力；

[σ]t——設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力。

壓力升至試驗(yàn)壓力的50%即1.875 MPa時(shí)，保持壓力15 min，對(duì)球罐所有焊接接頭和連接部位進(jìn)行檢查；壓力升至試驗(yàn)壓力的90%即3.375 MPa時(shí)，保持壓力15 min，對(duì)球罐所有焊接接頭和連接部位進(jìn)行檢查；壓力升至試驗(yàn)壓力的100%即3.75 MPa時(shí)，保持壓力30 min，對(duì)球罐所有焊接接頭和連接部位進(jìn)行檢查；壓力降至試驗(yàn)壓力的80%即3.0 MPa時(shí)，保持壓力15 min，對(duì)球罐所有焊接接頭和連接部位進(jìn)行檢查；試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)滲漏，無(wú)可見(jiàn)的變形，無(wú)異常聲響，耐壓試驗(yàn)合格。耐壓試驗(yàn)升壓曲線見(jiàn)圖5。范》[6]規(guī)定，應(yīng)嚴(yán)格控制保溫溫度565±20℃，保溫時(shí)間105 min。

由于焊接補(bǔ)焊深度超過(guò)球罐公稱(chēng)壁厚的一半，根據(jù)《固容規(guī)》的要求[5]，還應(yīng)進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。耐壓試驗(yàn)選用水作為介質(zhì)，耐壓試驗(yàn)的壓力為：

圖5 耐壓試驗(yàn)升壓曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）該球罐材質(zhì)屬于調(diào)質(zhì)型07MnCrMoVR低合金高強(qiáng)鋼，其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，鋼板 （特別是表層）的強(qiáng)度和硬度較高，焊接接頭容易產(chǎn)生冷裂紋[7]。

產(chǎn)生焊接冷裂紋的內(nèi)在因素有：① 擴(kuò)散氫：氫是引起高強(qiáng)度鋼焊接冷裂紋的重要因素之一，并具有延遲特征；②拉應(yīng)力：焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)是由熱應(yīng)力、組織應(yīng)力 （相變應(yīng)力）和拘束應(yīng)力疊加的結(jié)果；③淬硬組織：焊接熱影響區(qū)中過(guò)硬的馬氏體含量越多，越容易產(chǎn)生冷裂紋。

產(chǎn)生焊接冷裂紋的外在因素有：空氣濕度、預(yù)熱溫度、焊接線能量。

（2）從該球罐的裂紋形貌分析，認(rèn)為其符合冷裂紋特征[7]。雖然07MnCrMoVR具有良好的抗焊接冷裂紋性能，但是焊接時(shí)也要嚴(yán)格控制焊接線能量和層間溫度，避免雨天焊接[1]。對(duì)于返修后的熱處理工藝，要嚴(yán)格控制保溫溫度和保溫時(shí)間，以避免引起再熱裂紋。

（3）鑒于該球罐在歷次定期檢驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)的裂紋大多位于內(nèi)表面的焊接接頭及熱影響區(qū)附近，因此在對(duì)使用該材料制造的壓力容器進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)特別要注重其內(nèi)表面焊接接頭和熱影響區(qū)附近缺陷的檢測(cè)。

（4）根據(jù)各檢驗(yàn)項(xiàng)目的檢驗(yàn)結(jié)果，綜合評(píng)定該球罐安全狀況等級(jí)為3級(jí)，檢驗(yàn)周期為3年，在現(xiàn)有工況條件下 （最高工作壓力2.8 MPa，安全閥開(kāi)啟壓力2.88 MPa，工作溫度為常溫，介質(zhì)為氮?dú)猓?，可繼續(xù)安全使用至下一次周期檢驗(yàn)。

[1]黃金祥，唐譜洪，趙保華.07MnCrMoVR鋼制壓力容器的兩種焊接工藝及應(yīng)用 [J].中國(guó)化工裝備，2009(4)： 27-29， 33.

[2]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則：TSG R7001—2013 [S].北京：新華出版社，2013.

[3]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.鋼制球形儲(chǔ)罐：GB 12337—2010 [S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[4]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).壓力容器：GB 150—2011[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[5]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程：TSG R0004—2009[S].北京：新華出版社，2009.

[6]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.球形儲(chǔ)罐施工規(guī)范：GB 50094—2010[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2010.

[7]顧素蘭，蔣向紅.CF62鋼制球罐裂紋成因分析[J].化工裝備技術(shù)，2005，26（5）：33-34.

Inspection Case Analysis of 07MnCrMoVR Steel Spherical Tank

Ding Xiaoyin Hu Chen

07MnCrMoVR is a kind of low alloy high strength quenched and tempered steel.It is widely used in the manufacture of pressure vessels,such as spherical tank and large tank,as a domestic low welding crack sensitive steel.Generally,the steel spherical tank is larger in volume,so the requirements for its manufacture,assembly and welding are higher.The steel spherical tank is prone to crack during use.Therefore,in the periodic inspection of spherical tanks,attention should be paid to the inner surface inspection of the spherical tanks butt welds,and cracks should be found in order to ensure the safe operation of the spherical tanks.

Spherical tank;Crack;Low alloy steel;Weld joint;Surface defect;Nondestructive examination;Pressure vessel

TQ 050.7

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.08.008

2017-04-12）

*丁曉瀅，女，1982年生，工程師。上海市，201900。