球罐的表面裂紋及處理

鄭祖杰

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院無(wú)錫分院 無(wú)錫市 214000)

1 基本信息

產(chǎn)生裂紋的設(shè)備是1000m3氮?dú)馇蚬?，制造?biāo)準(zhǔn)為GB12337-1998《鋼制球形儲(chǔ)罐》、TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，制造日期是2013年09月30日，設(shè)計(jì)壓力為3.15MPa，設(shè)計(jì)溫度為-19/50℃，主體材料是Q370R，材料標(biāo)準(zhǔn)是GB713-2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》，主體壁厚為48mm，腐蝕裕量為1.0mm，焊接接頭系數(shù)是1.0，允許/監(jiān)控使用壓力為3.00MPa，首次檢驗(yàn)日期是2019年03月，使用壓力范圍為1.50～2.40MPa，使用溫度范圍為-10～50℃，使用介質(zhì)是氮?dú)狻?/p>

2 使用條件

該球罐設(shè)計(jì)壓力3.15MPa，平時(shí)使用壓力最高2.4MPa。據(jù)使用單位反映，由于煉鋼用氣量較大，每次用氣會(huì)產(chǎn)生0.3～0.5MPa的壓力波動(dòng)，每天波動(dòng)100多次，一年波動(dòng)5000次左右，六年總計(jì)波動(dòng)已有30000次左右。根據(jù)JB4732-1995《鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（R2005）第3.10條“疲勞分析的免除”，該球罐壓力波動(dòng)范圍0.5MPa，未超過(guò)設(shè)計(jì)壓力的20%（0.63MPa），循環(huán)次數(shù)不計(jì)，而全范圍壓力循環(huán)次數(shù)及溫度波動(dòng)循環(huán)次數(shù)總和不超過(guò)1000次，屬于3.10條規(guī)定的可免除疲勞分析的情況。因此，疲勞載荷可不做為缺陷產(chǎn)生的主要原因來(lái)考慮。

3 裂紋產(chǎn)生原因分析

此次磁粉檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的裂紋大都位于下極與下溫帶連接處，相對(duì)比較集中，考慮存在強(qiáng)力組裝和熱處理工藝控制不良導(dǎo)致的應(yīng)力無(wú)法釋放。依據(jù)檢驗(yàn)方案，對(duì)焊接接頭外表面進(jìn)行100%磁粉檢測(cè)、內(nèi)表面進(jìn)行100%熒光磁粉檢測(cè)，共發(fā)現(xiàn)幾十處處表面裂紋，有縱向裂紋（圖2、圖4）、又有橫向裂紋（圖3），少數(shù)延伸至熱影響區(qū)。其中有一條縱向焊趾裂紋，斷斷續(xù)續(xù)總計(jì)500mm（圖1）。對(duì)裂紋進(jìn)行打磨消除后，形成的凹坑最深12mm。此外還有一部分細(xì)小裂紋（圖4）位于熱影響區(qū)旁，打磨消除，深度小于0.5mm。

圖1 球罐平面示意圖

圖2 AG焊縫上的焊趾裂紋

圖3 橫向裂紋

圖4 縱向裂紋

圖5 引弧產(chǎn)生的細(xì)小裂紋

（1）在資料審查中，發(fā)現(xiàn)球殼板材料為Q370R，厚度為48mm，正火態(tài)供貨，球殼板有監(jiān)督檢驗(yàn)報(bào)告；使用的焊條為J557RH低氫焊條,有擴(kuò)散氫測(cè)試報(bào)告，符合GB/T5118-1995的標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）在資料審查中，發(fā)現(xiàn)施焊時(shí)間在2012年12月至2013年1月期間，此時(shí)當(dāng)?shù)貧鉁卦?5℃左右，工件預(yù)熱至150℃。

（3）實(shí)際檢測(cè)中，球殼板最低厚度為47.5mm，硬度值抽查為180-289HB，裂紋附件的焊縫、母材及熱影響區(qū)并無(wú)明顯差異。

在不考慮疲勞影響，排除交變應(yīng)力因素后來(lái)看，此次檢驗(yàn)中，絕大多數(shù)裂紋處于赤道帶與下寒帶之間的那道AG焊縫，其他焊縫及熱影響區(qū)上只有極少數(shù)的裂紋。根據(jù)資料審查結(jié)果、用戶交流溝通及現(xiàn)場(chǎng)裂紋的實(shí)際來(lái)看，裂紋的產(chǎn)生是原因有三個(gè)：一是強(qiáng)力組裝，導(dǎo)致應(yīng)力集中；二焊接難度較大，焊工未按焊接工藝操作，使用了較大的電流；三是焊工焊接操作不規(guī)范，安裝時(shí)正直冬季，氣溫較低，未按照要求進(jìn)行足夠時(shí)間的預(yù)熱。此外，從現(xiàn)場(chǎng)裂紋的位置具體展開(kāi)來(lái)說(shuō)：

（1）AG焊縫的外側(cè)焊接在整個(gè)球罐焊接中難度最大。焊縫與水平面呈45°的夾角，高度在焊工上方，對(duì)焊工的仰焊操作水平要求較高。一旦電流電壓控制不好，導(dǎo)致成形焊縫存在淬硬組織。

（2）在檢驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)部分焊縫的錯(cuò)變量過(guò)大，以及棱角度等問(wèn)題，推測(cè)球殼板在組對(duì)過(guò)程中存在強(qiáng)力組裝的問(wèn)題，由于AG焊縫是最后一道焊縫，在焊接完成后，之前放松狀態(tài)下的球殼板立即因?yàn)锳G焊縫的完成而產(chǎn)生應(yīng)力集中。

（3）在工卡具的焊接上，引弧點(diǎn)和熄弧點(diǎn)應(yīng)當(dāng)在工卡具的焊接上，但根據(jù)磁粉檢測(cè)，焊工在操作時(shí)在非焊接位置上的隨意引弧，導(dǎo)致出現(xiàn)細(xì)小的表面裂紋（圖2）。

4 裂紋處理

對(duì)于細(xì)小的裂紋，直接進(jìn)行打磨消除，并保持圓滑，并經(jīng)磁粉復(fù)檢合格；對(duì)于其他的近表面裂紋，打磨之后凹坑深度C為12～14mm，根據(jù)TSG21-2016中的無(wú)量綱參數(shù)計(jì)算公式G0=C/T×A/(RT)1/2,凹坑深度C不滿足小于壁厚T的1/3并且小于12mm的條件，因此需要返修補(bǔ)焊。返修補(bǔ)焊程序首先打磨清除裂紋，打磨坡口至光亮，經(jīng)MT檢測(cè)無(wú)缺陷；焊材采用J557RH低氫焊條，規(guī)格φ3.2，經(jīng)300℃烘干1小時(shí)后方可使用；焊接時(shí)局部預(yù)熱至125～175℃，焊接時(shí)使用方法SMAW，焊接電流直流反接，電流120～130A，電壓23～25V焊接速度16～18cm/min，線能量小于15.9KJ/cm，控制道間溫度，不低于預(yù)熱溫度且≤230℃；返修完成后打磨焊縫至母材齊平，無(wú)飛濺，咬邊等缺陷；對(duì)返修部位及熱影響區(qū)進(jìn)行TOFD檢測(cè)及磁粉檢測(cè)，無(wú)裂紋、未熔合、未焊透、氣孔、夾渣等缺陷焊接完畢后進(jìn)行局部消應(yīng)力熱處理，使用履帶片包扎，固定熱電偶，邊緣覆蓋巖棉，防止產(chǎn)生有害溫度梯度，均溫帶須覆蓋返修部位及熱影響區(qū)，盡量包含周?chē)覆?，從常溫升溫?00℃后，須控制升溫速度，50～80℃/h，在575±20℃的條件下，保溫時(shí)間不小于1.92h，之后以30～50℃/h的速度降溫至400℃，停止加熱，空冷。耐壓試驗(yàn)壓力根據(jù)允許/監(jiān)控使用壓力計(jì)算，耐壓試驗(yàn)壓力為3.75Mpa。緩慢升至試驗(yàn)壓力3.75Mpa后，保壓30min，隨后降壓至允許/監(jiān)控使用壓力3.00Mpa，保壓30min，整個(gè)過(guò)程無(wú)滲漏，無(wú)可見(jiàn)變形，無(wú)異響。至此，返修程序方可結(jié)束。

5 防范措施

此次檢驗(yàn)本應(yīng)當(dāng)在2016年進(jìn)行，但由于多種原因，直至2019年才進(jìn)行首次定期檢驗(yàn)。根據(jù)此次檢驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于球罐運(yùn)行安全的保障，須做到以下幾點(diǎn)：一是日常運(yùn)行過(guò)程中，加強(qiáng)巡檢，安裝氣體泄漏檢測(cè)裝置，提高風(fēng)險(xiǎn)處置能力；二是做好月度檢查及年度檢查，定期對(duì)焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)；三是縮短定期檢驗(yàn)周期。