淺析回火焊道技術(shù)在氧氣球罐裂紋返修中的作用

朱 兵* 沈正軍

（南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院）

0 引言

球形儲罐是一種大容量、球狀的儲存壓力容器，廣泛應(yīng)用于石油、化工、治金等行業(yè)。大型壓力容器如球形儲罐等在使用過程中，受溫度、壓力、介質(zhì)腐蝕以及環(huán)境侵蝕等影響，容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂等缺陷，嚴(yán)重影響球罐的使用壽命。為使球罐正常工作，需對損傷部位進(jìn)行補(bǔ)焊返修，但在焊接修復(fù)過程中，由于焊接熱循環(huán)的作用易造成修復(fù)部位殘余應(yīng)力增大、硬度提高、熱影響區(qū)韌性差等，通常應(yīng)采用焊后熱處理來改善焊接部位的性能。球罐容積較大，若整體進(jìn)行熱處理費(fèi)時又不經(jīng)濟(jì)，局部熱處理往往由于受到現(xiàn)場條件制約，很難達(dá)到熱處理效果。本文利用應(yīng)力測試分析結(jié)合常規(guī)定期檢驗來驗證采用回火焊道技術(shù)返修氧氣球罐裂紋缺陷的情況。

1 回火焊道技術(shù)

回火焊道焊接技術(shù)作為一種新型的焊接技術(shù)，可以通過合理控制焊道幾何尺寸、焊道搭接量和焊接熱循環(huán)，來有效改善多層多道焊母材熱影響區(qū)組織性能。該技術(shù)現(xiàn)已被ASME 和RCCM 規(guī)范寫入標(biāo)準(zhǔn)文件中，并作為免除焊后熱處理的焊接修復(fù)方法，在核工業(yè)、電站、石油化工等行業(yè)中廣泛用于高溫高壓系統(tǒng)部件的焊接修復(fù)和更換。ASME 標(biāo)準(zhǔn)2004 版第Ⅸ卷中將回火焊道焊接技術(shù)定義為:在焊道表面的指定位置熔敷焊道，影響前一層焊道形成的熱影響區(qū)或改變焊縫金屬的治金性能?？梢岳斫鉃橥ㄟ^控制形成特定的焊接熱循環(huán)，使第二層焊道形成的細(xì)品區(qū)能夠最大程度覆蓋第一層焊道所形成的粗晶區(qū)，從而改善粗晶區(qū)的治金性能，以達(dá)到焊后熱處理的實施效果。

Nakata K[1]，Aloraier A[2]，Liao M T[3]等學(xué)者分別從采用激光焊、藥芯焊絲電弧焊和使用保護(hù)氣體等方面對回火焊道技術(shù)進(jìn)行了研究，而國內(nèi)外學(xué)者對回火焊道技術(shù)應(yīng)用在球罐裂紋缺陷返修工作中的研究則幾乎沒有。

2 研究對象

某石化企業(yè)中200 m3氧氣球罐的結(jié)構(gòu)為桔瓣式，1985 年5 月，由蘭州蘭石球罐工程有限責(zé)任公司壓制球殼并進(jìn)行現(xiàn)場安裝，并于1986 年投入使用，球罐設(shè)計參數(shù)如表1 所示。2010 年10 月由南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院開罐檢驗。經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，該球罐下大環(huán)縫中有兩處超標(biāo)缺陷，均在球罐內(nèi)的焊縫上（可見圖1），且徑經(jīng)超聲波檢測判斷為毛細(xì)淺表裂紋，第一處缺陷（A）長度為100 mm，深度為7 mm；第二處缺陷（B）長度為80 mm，深度為5 mm。2010年10 月，該球罐由中國化學(xué)工程第十四建設(shè)有限公司南京機(jī)械廠負(fù)責(zé)現(xiàn)場返修，返修時采用回火焊道技術(shù)，返修后其無損檢測合格。

表1 球罐主要參數(shù)

圖1 缺陷位置示意圖

3 定期檢驗

TSG21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》詳細(xì)規(guī)定了壓力容器的檢驗程序。2019 年10 月，南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院再次對該球罐開展定期檢驗，包括宏觀檢驗、壁厚測定、表面無損檢測及安全附件檢查。通過檢驗發(fā)現(xiàn)其宏觀無異常，壁厚測定數(shù)據(jù)在允許范圍內(nèi)，內(nèi)表面熒光磁粉檢測、外表面黑磁粉檢測（補(bǔ)焊位置重點檢測）均未發(fā)現(xiàn)異常，安全附件均在校驗有效期內(nèi)。定期檢驗結(jié)果顯示回火焊道技術(shù)可以較好地應(yīng)用在氧氣球罐裂紋缺陷返修中。為了進(jìn)一步驗證回火焊道技術(shù)的可靠性，本文對球罐缺陷部位進(jìn)行了應(yīng)力測試分析。

4 應(yīng)力測試分析

4.1 實驗裝置

電阻應(yīng)變測量法是測定壓力容器筒壁應(yīng)變的常用方法。采用電阻應(yīng)變儀測量法（即電測法）對該200 m3氧氣球罐焊縫修理部位進(jìn)行應(yīng)力測試，通過實驗測定與理論計算，掌握其受力情況，進(jìn)而對其進(jìn)行強(qiáng)度評定。實驗采用HPJY-1004 型應(yīng)變儀及BX120-3 電阻應(yīng)變計。本實驗采用二向90°應(yīng)變花檢測，共計20 個測點，具體布片方案如圖2 所示。

4.2 實驗步驟

（1）構(gòu)件表面處理

檢查應(yīng)變片的外形完整性、測量其阻值是否與說明相符來去除斷路和性能不佳的應(yīng)變片。先用電動砂輪機(jī)和銼刀等工具清除裂紋區(qū)外表面的油漆、氧化皮和污垢等，然后用砂紙、細(xì)砂紙打磨至表面呈光亮的金屬光澤，最后在待貼片的位置附近用筆進(jìn)行定位標(biāo)識。

圖2 布片方案圖

（2）貼片

用脫脂棉球沾取丙酮清潔表面油污、灰塵等臟污，然后用干棉球擦干。在應(yīng)變花的粘貼面上均勻地涂抹一薄層502 膠水，再將其放到構(gòu)件的貼片位置上，要注意擠出氣泡內(nèi)的空氣，反復(fù)幾次直到應(yīng)變片粘緊。應(yīng)變片的連接導(dǎo)線是在應(yīng)變片徹底粘貼牢固后用錫焊連接，注意不要扯壞應(yīng)變片或使線路短路。準(zhǔn)備工作全部完成后，將導(dǎo)線接入應(yīng)變儀，并將應(yīng)變儀與計算機(jī)連接。

（3）實驗加載及數(shù)據(jù)記錄

實驗裝置連接測試完畢，采用場內(nèi)壓縮氧氣進(jìn)行加壓，并記錄數(shù)據(jù)。本實驗采用依次加壓，分別對0.52，0.98，1.48，1.96，2.8 MPa 5 個壓力等級進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)采集。各壓力等級下的測點應(yīng)變數(shù)據(jù)自動采集，各測點應(yīng)力分布在28，50，79，110，130 MPa 左右，數(shù)據(jù)基本符合理論規(guī)律。

4.3 實驗應(yīng)力強(qiáng)度評定

（1）結(jié)果分析

測點在不同壓力下的應(yīng)力計算結(jié)果基本符合理論規(guī)律，數(shù)值在可接受范圍內(nèi)。

數(shù)據(jù)中存在一定誤差，分析后推測是由應(yīng)變片粘貼偏差導(dǎo)致的，但對應(yīng)點的測試結(jié)果仍滿足要求。

（2）強(qiáng)度評定

在最大工作壓力2.8 MPa 下，應(yīng)按第三應(yīng)力強(qiáng)度理論來評定。一次薄膜應(yīng)力應(yīng)滿足 ≤[σ]，[σ]=181 MPa，其中，[σ]為球罐的材料在常溫下的許用應(yīng)力。各測點在最大工作壓力2.8 MPa 下的強(qiáng)度評定結(jié)果為合格。

5 結(jié)論

采用回火焊道技術(shù)修復(fù)的氧氣球罐在定期檢驗時未發(fā)現(xiàn)新生缺陷，同時缺陷修復(fù)部位應(yīng)力測試分析強(qiáng)度評定結(jié)果為合格，因此可以認(rèn)為回火焊道技術(shù)可以應(yīng)用在氧氣球罐焊接返修過程中以替代常規(guī)熱處理技術(shù)。