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      球罐裂紋的成因分析及預(yù)防措施

      2022-10-17 11:36:34榮慶洪高書明楊文安
      中國特種設(shè)備安全 2022年9期
      關(guān)鍵詞:球罐環(huán)向焊條

      石 巖 榮慶洪 高書明 錢 冰 楊文安

      (淄博市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 淄博 255000)

      1 概述

      2020年,筆者單位對某化工廠氮?dú)馇蚬捱M(jìn)行了定期檢驗(yàn),球罐火三帶板混合式,完工日期火2010年5月,投用日期火2011年2月,制造標(biāo)準(zhǔn)火GB 150—1998《鋼制壓力容器》[1]、GB 12337—1998《鋼制球形儲罐》[2]、GB 50094—1998《球形儲罐施工及驗(yàn)收規(guī)范》[3]。球罐的基本參數(shù)見表1。

      表1 球罐的基本參數(shù)

      球罐安裝的基本情況如下:《施焊記錄》中,焊縫進(jìn)行了焊前預(yù)熱,預(yù)熱溫度火“123~126 ℃”,層間溫度火“>125 ℃”;《焊縫消氫處理記錄》中,焊縫進(jìn)行了消氫處理,加熱溫度火“219~230 ℃”,保溫時(shí)間火1 h;球罐做橫焊、立焊和平焊加仰焊位置的產(chǎn)品焊接試板各1塊;安裝完成后進(jìn)行了焊后熱處理,熱處理溫度火560±20 ℃,保溫時(shí)間火2 h;熱處理后,A、B類焊接接頭進(jìn)行了γ射線(銥192)全景曝光檢測,比例100%,并進(jìn)行了超聲復(fù)查,檢測比例20%,A、B、D、E類焊接接頭進(jìn)行了100%磁粉檢測,球罐耐壓試驗(yàn)后對A、B、D、E類焊接接頭進(jìn)行了20%磁粉檢測復(fù)查。

      本次定期檢驗(yàn)的主要檢驗(yàn)項(xiàng)目火宏觀檢查、測厚、內(nèi)表面焊縫100%熒光磁粉檢測、外表面焊縫20%黑磁粉檢測、焊縫50%超聲檢測、焊接接頭硬度檢測、柱腿與球殼板間焊接接頭滲透檢測、柱腿鉛垂度檢測,其中,內(nèi)表面焊縫100%熒光磁粉檢測時(shí),在球罐下極板焊接接頭、赤道帶與上、下極板間環(huán)向焊接接頭內(nèi)表面熔合線處以及該環(huán)向焊接接頭組焊時(shí)的定位塊焊疤處發(fā)現(xiàn)了43條裂紋,多數(shù)裂紋長度小于20 mm,深度約1~3 mm,裂紋最長約42 mm,深約4 mm(氮?dú)馇蚬迌?nèi)表面裂紋部位示意圖如圖1所示,裂紋形態(tài)及分布見圖2),而赤道帶球殼板縱向焊接接頭、赤道帶與上、下極板間環(huán)向焊接接頭外表面均未發(fā)現(xiàn)裂紋,發(fā)現(xiàn)裂紋后,對裂紋處的焊接接頭附近補(bǔ)充了超聲檢測、硬度檢測,對赤道帶球殼板縱向焊接接頭、赤道帶與上、下極板間環(huán)向焊接接頭進(jìn)行了殘余應(yīng)力測試。

      圖1 氮?dú)馇蚬迌?nèi)表面裂紋部位示意圖

      圖2 裂紋形態(tài)及分布

      經(jīng)宏觀檢查,球罐的內(nèi)外部未見明顯腐蝕,氮?dú)馇蚬迣?shí)測最小厚度火43.71 mm(名義厚度火43 mm),球罐介質(zhì)火氮?dú)?,不存在?yīng)力腐蝕開裂條件;同時(shí)Q370R不屬于沉淀強(qiáng)化材料,不具有再熱裂紋傾向。從裂紋產(chǎn)生的部位和形態(tài)看,裂紋大多分布于熔合線上,逐步向熱影響區(qū)擴(kuò)展,裂紋端部無分叉現(xiàn)象,符合冷裂紋中的焊趾裂紋特征。焊接冷裂紋是接頭冷卻到Ms溫度線下產(chǎn)生的一種裂紋,裂紋大多在熱影響區(qū),通常源自熔合區(qū)粗大晶粒的晶界交錯處。冷裂紋有些出現(xiàn)在焊接過程中,但較多的是在焊后延遲一段時(shí)間才產(chǎn)生,所以冷裂紋又叫作延遲裂紋。冷裂紋形成一般火鋼材的淬硬傾向、擴(kuò)散氫及接頭所承受的拘束應(yīng)力三者共同作用的結(jié)果。本文從鋼材的淬硬傾向和焊接性、熔敷金屬擴(kuò)散氫含量及焊接接頭殘余應(yīng)力3個方面入手,結(jié)合定期檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)和結(jié)果,以及球罐安裝時(shí)的質(zhì)量證明材料,分析了裂紋產(chǎn)生的原因。

      2 球罐裂紋原因分析

      2.1 鋼種的淬硬傾向和焊接性

      Q370R火壓力容器用鋼,屬低合金高強(qiáng)鋼,具有良好的綜合機(jī)械性能,廣泛用于各種球罐的制造,以下通過計(jì)算Q370R的碳當(dāng)量和冷裂紋敏感性指數(shù),來評價(jià)Q370R的淬硬傾向和焊接性。球殼材料采用Q370R正火鋼板,壁厚火43 mm,執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB 713—2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》[4],表2、表3火氮?dú)馇蚬抻肣370R鋼板的化學(xué)成分(熔煉分析)、力學(xué)性能和工藝性能。

      表2 氮?dú)馇蚬轖370R鋼板的化學(xué)成分(熔煉分析)

      表3 氮?dú)馇蚬轖370R鋼板的力學(xué)性能和工藝性能

      ●2.1.1 Q370R碳當(dāng)量

      按國際焊接學(xué)會推薦的碳當(dāng)量公式CE(ⅡW)計(jì)算Q370R碳當(dāng)量[5],見式(1):

      說明鋼板Q370R焊接性稍差,具有一定的延遲裂紋傾向,焊前需適當(dāng)預(yù)熱。

      ●2.1.2 冷裂紋敏感指數(shù)

      冷裂紋敏感指數(shù)是根據(jù)鋼材化學(xué)成分、氫含量和接頭拘束力等數(shù)值的計(jì)算,來間接判斷鋼的焊接性的一種方法,主要是判定鋼的冷裂紋傾向大小。冷裂紋敏感指數(shù)越大,說明鋼在焊接時(shí)產(chǎn)生冷裂紋的傾向越大,其焊接性就越差。冷裂紋敏感性指數(shù)Pc(%)是應(yīng)用較多的冷裂紋判據(jù),其與擴(kuò)散氫含量、板厚、根部裂紋敏感性的關(guān)系見式(2)[5]:

      式中:

      [H]——熔敷金屬擴(kuò)散氫含量,mL/100g,因氮?dú)馇蚬匏煤笚lJ557的質(zhì)量證明書中缺少熔敷金屬擴(kuò)散氫含量,此處按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5118—1995《低合金鋼焊條》[6],取焊條J557熔敷金屬擴(kuò)散氫含量規(guī)定值的中間數(shù)3mL/100g;

      δ——被焊金屬的板厚,氮?dú)馇蚬薜谋诤瘭幕?3 mm;

      Pcm——冷裂紋敏感性系數(shù),%。

      代入氮?dú)馇蚬抻肣370R鋼板的實(shí)際數(shù)據(jù),計(jì)算Pcm[5],見式(3):

      所以,Q370R冷裂紋敏感指數(shù)Pc=Pcm+[H]/60+δ/600=0.397 5 ≥ 0.25[5]。

      通過以上分析,得出Q370R存在一定淬硬傾向和焊接冷裂紋傾向,焊接時(shí)應(yīng)采取焊前預(yù)熱、焊后緩冷的措施。

      2.2 擴(kuò)散氫的影響

      導(dǎo)致接頭產(chǎn)生冷裂紋的氫主要是擴(kuò)散氫,當(dāng)焊條烘干不充分,或者焊接區(qū)域(坡口及兩側(cè)20 mm范圍)的油、銹、水清理不徹底,油、銹、水會在電弧的高溫作用下分解火氫原子,由于氫原子直徑小,氫原子在金屬晶格內(nèi)移動,在缺陷、金屬空穴、位錯中積聚成氫分子,產(chǎn)生氫內(nèi)壓,最終在焊接殘余應(yīng)力的作用下,產(chǎn)生冷裂紋。氮?dú)馇蚬轖370R間焊接采用的焊條火J557,其質(zhì)量證明書中執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)火GB/T 5118—1995,而未采用標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4747—2002《壓力容器用鋼焊條訂貨技術(shù)條件》[7],也未按設(shè)計(jì)圖紙要求,采用超低氫高韌性焊條J557RH。焊條J557RH(標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4747—2002)相對于J557(標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5118—1995),增加了S、P含量、-40 ℃時(shí)的沖擊吸收能量、熔敷金屬擴(kuò)散氫含量等控制要求,在拉伸伸長率、藥皮含水量、焊條偏心度等方面也提高了要求(見表4、表5)。以焊條J557代替J557RH,會導(dǎo)致以下結(jié)果:

      表4 焊條J557、J557RH及氮?dú)馇蚬抻肑557熔敷金屬化學(xué)成分 %

      表5 焊條J557、J557RH及氮?dú)馇蚬抻肑557熔敷金屬的力學(xué)性能和工藝性能

      1)焊條J557的型號火E 5515-G,只要1個元素符合表4中GB/T 5118—1995的規(guī)定即火合格,且標(biāo)準(zhǔn)對J557焊條S、P含量不做要求[6],熔敷金屬中的S、P含量一般會增大,焊縫開裂的可能性增加。

      2)焊條J557RH一般通過增加Ni含量,提高熔敷金屬的沖擊吸收能量,降低焊接時(shí)的預(yù)熱溫度,而采用J557,對熔敷金屬V型沖擊功不做要求,焊接接頭的沖擊韌性往往會降低。

      3)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5118—1995中,熔敷金屬擴(kuò)散氫含量不是必做的檢測項(xiàng)目,氮?dú)馇蚬抻煤笚lJ557質(zhì)量證明書中缺少熔敷金屬擴(kuò)散氫含量的數(shù)據(jù),只有藥皮含水量指標(biāo)(0.22%),雖然符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5118—1995的要求,但低于標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4747—2002中焊條J557RH藥皮含水量的規(guī)定,這會增加熔敷金屬擴(kuò)散氫含量,加大冷裂紋產(chǎn)生的可能性。

      2.3 焊接接頭的殘余應(yīng)力

      ●2.3.1 殘余應(yīng)力測試

      采用金屬應(yīng)力集中磁記憶檢測儀(型號:ZSG3026)對赤道帶球殼板縱向焊接接頭、赤道帶與上、下極板間環(huán)向焊接接頭進(jìn)行了殘余應(yīng)力測試。其應(yīng)力集中情況見圖3~圖5。從圖中看出,赤道帶與上、下極板間環(huán)向焊接接頭磁場強(qiáng)度的變化比赤道帶球殼板縱向焊接接頭要強(qiáng)烈得多,表明赤道帶與上、下極板間環(huán)向焊接接頭存在更大的應(yīng)力集中。

      圖3 赤道帶與下極板間環(huán)向焊接接頭的磁場強(qiáng)度(圖1中X處)

      圖4 赤道帶球殼板縱向焊接接頭的磁場強(qiáng)度(圖1中Y處)

      圖5 赤道帶與上極板間環(huán)向焊接接頭的磁場強(qiáng)度(圖1中Z處)

      ●2.3.2 硬度檢測

      硬度檢測(采用便攜式里氏硬度計(jì),型號:瑞士博勢Equotip550)數(shù)據(jù)見表6。

      表6 赤道帶與上、下極板間環(huán)向焊接接頭的硬度值

      從表6看出,焊縫的硬度值明顯高于母材和熱影響區(qū),赤道帶與上、下極板間環(huán)向焊接接頭內(nèi)側(cè)硬度值達(dá)到了200 HB,局部硬度甚至達(dá)到了250 HB,裂紋處的焊縫硬度明顯偏高,表明焊后熱處理的效果不夠充分,赤道帶與上、下極板間環(huán)向焊接接頭內(nèi)側(cè)存在較大的殘余應(yīng)力。

      ●2.3.3 裂紋產(chǎn)生的部位和熱處理的影響

      由圖1看出,氮?dú)馇蚬迌?nèi)側(cè)上、下極板與赤道板間焊接接頭組對定位塊焊疤未清除干凈,焊疤熔合線處存在裂紋S36~S43(如圖1所示),定位塊焊縫不是受壓焊縫,在役工況沒有應(yīng)力腐蝕開裂的機(jī)理,出現(xiàn)裂紋表明上、下極板與赤道板間接頭焊接時(shí)可能存在強(qiáng)力組裝,這與殘余應(yīng)力測試結(jié)果可以相互印證。

      對球罐產(chǎn)生裂紋的部位進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),見表7。

      表7 球罐產(chǎn)生裂紋的部位統(tǒng)計(jì)

      查閱球罐安裝資料后確定所檢球罐采用柴油內(nèi)部燃燒加熱法(直燒法)進(jìn)行熱處理,其傳熱方式主要通過對流和熱輻射,球罐直燒法熱處理溫度場分布參照圖6(a)[8],可以看出,球罐罐壁頂部溫度最高,底部溫度最低,且球罐罐壁溫度分布不均勻。在氮?dú)馇蚬逕崽幚韴?bào)告中,其升溫速度火52 ℃/h,保溫溫度火560±20 ℃,保溫時(shí)間火2 h,降溫速度火48 ℃/h,從熱電偶分布圖(如圖7所示)中看出,該球罐熱處理過程中布置了12個測溫點(diǎn),但赤道帶與下極板環(huán)向焊接接頭及下極板處熱處理溫度較低區(qū)域只布置了1個測溫點(diǎn),數(shù)量偏少。同時(shí),該球罐未按照GB 50094—1998的要求,在產(chǎn)品焊接試件(3件)上布置測溫點(diǎn)。球罐產(chǎn)品質(zhì)量證明書中,熱處理曲線只有5條,且無法確定這5個測溫點(diǎn)的位置,熱處理曲線未標(biāo)注記錄紙的走紙速度,也無法確定熱處理保溫時(shí)間。通過定期檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),球罐下部區(qū)域產(chǎn)生的裂紋明顯多于上部區(qū)域,對照圖6(a)和表7,可以看出,裂紋較多的球罐下部區(qū)域正是熱處理溫度較低區(qū)域,由此推斷球罐下部區(qū)域進(jìn)行的熱處理并不充分,該區(qū)域焊接接頭仍存在較大的殘余應(yīng)力。

      圖6 球罐熱處理6000S溫度場分布

      圖7 熱電偶分布圖

      如果采用帶中心孔導(dǎo)流傘法進(jìn)行球罐熱處理,球罐罐壁溫差較小,消除焊后殘余應(yīng)力的效果較好,其溫度場分布如圖6(b)所示[8]。

      ●2.3.4 焊接次序的影響

      查看安裝單位的施焊記錄,該球罐先焊接赤道帶球殼板的縱向焊接接頭,再焊接赤道帶與上、下極板間環(huán)向焊接接頭,焊接采用不對稱X型坡口,每個接頭先焊外側(cè),再焊內(nèi)側(cè)。這種焊接次序造成這些焊縫的外側(cè)焊道拘束度較小,焊接冷卻收縮時(shí),能夠相對自由的收縮,產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較小,而赤道帶與上、下極板間環(huán)向焊接接頭內(nèi)側(cè)焊道是最后施焊的,此時(shí)整個球罐的剛度和拘束度已經(jīng)非常大,焊接收縮的自由度較小,產(chǎn)生的焊后殘余應(yīng)力較大,容易產(chǎn)生冷裂紋缺陷。這與定期檢驗(yàn)過程中磁粉檢測的結(jié)果是可以相互印證的。焊接時(shí)應(yīng)采用對稱、同步施焊,使焊縫收縮均勻,減少焊接應(yīng)力。但球罐的施焊記錄中,未體現(xiàn)對稱、同步施焊、分段退焊的內(nèi)容。

      ●2.3.5 安裝時(shí)氣溫的影響

      赤道帶與上、下極板間焊接接頭AF、AG的焊接日期火2009年12月25日至30日,球罐熱處理日期火2010年1月15日,那時(shí)球罐安裝地處于冬季最冷的時(shí)間,最低溫度可達(dá)零下十幾攝氏度,可能會對焊前預(yù)熱、層間溫度、消氫處理、焊后熱處理產(chǎn)生不利影響,從而導(dǎo)致球罐產(chǎn)生焊接冷裂紋。查看了球罐焊后消氫處理記錄,加熱溫度大約火220~230 ℃,保溫時(shí)間火1 h,雖然符合工藝要求(消氫處理的加熱溫度要求火200~350 ℃,保溫1 h),但根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),應(yīng)考慮氣溫的影響,適當(dāng)提高消氫處理的加熱溫度和保溫時(shí)間,并改善保溫措施。

      ●2.3.6 未及時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋的原因

      球罐安裝完畢后,之所以未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷,可能存在以下原因:

      1)冷裂紋有延遲開裂的特性。

      2)由于球罐壁厚較大,工件表面至膠片的距離L2較大,當(dāng)采用源在內(nèi)中心透照時(shí),由于幾何不清晰度的影響,射線檢測對內(nèi)表面的裂紋檢出率不高。

      3)射線檢測火γ射線(銥192)全景曝光,由于散射線的影響,底片的灰霧度較高,靈敏度降低,缺陷檢出率下降。

      4)最初延遲裂紋較細(xì)小,在工作應(yīng)力和焊后殘余應(yīng)力的聯(lián)合作用下,裂紋得以擴(kuò)展。

      焊接接頭殘余應(yīng)力測試、硬度檢測的數(shù)據(jù)及組對定位塊焊疤裂紋的產(chǎn)生,說明球罐焊接接頭區(qū)域,特別是赤道帶與上、下極板間環(huán)向焊接接頭存在較大的殘余應(yīng)力。同時(shí)低溫天氣也會對焊前預(yù)熱、消氫處理、焊后熱處理產(chǎn)生不利影響,加上球罐焊接次序中,赤道帶與上、下極板間環(huán)向焊接接頭內(nèi)壁最后施焊,拘束度最大,焊后殘余應(yīng)力也最大。

      最終在鋼材的淬硬傾向、熔敷金屬擴(kuò)散氫及接頭的焊后殘余應(yīng)力三者共同作用下,加上工作應(yīng)力的疊加,最終導(dǎo)致焊接接頭的開裂和擴(kuò)展。

      3 預(yù)防措施

      針對以上分析,對球罐安裝提出以下預(yù)防措施:

      1)嚴(yán)格按球罐安裝工藝施工,提高球殼板組裝精度,避免強(qiáng)力組對,減少組裝應(yīng)力;球罐焊接應(yīng)遵循“多焊工,均勻分布,同工藝,等速度”的原則,赤道板縱向焊接接頭自下而上,赤道板與上、下極板間環(huán)向焊接接頭自左向右,多名焊工間隔相同距離,同步對稱施焊,同時(shí)采用分段退焊,盡可能讓焊縫冷卻時(shí)能夠自由的收縮,以減少焊接殘余應(yīng)力。

      2)對于具有淬硬和焊接冷裂紋傾向鋼種,應(yīng)嚴(yán)格按焊接工藝進(jìn)行焊前預(yù)熱,中間采取不間斷施焊,焊后立即消氫處理。施焊赤道板與上、下極板間環(huán)向焊接接頭時(shí),由于是最后施焊,拘束度較大,預(yù)熱溫度、消氫處理的加熱溫度、保溫時(shí)間應(yīng)適當(dāng)提高,防止冷裂紋的產(chǎn)生。

      3)球罐熱處理應(yīng)采用帶中心孔導(dǎo)流傘法代替直燒法[8],減少球罐熱處理溫差,改善焊接接頭的應(yīng)力狀況。

      4)對于具有淬硬傾向的材料,應(yīng)采用符合標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47018.1~47018.5—2017《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件》[9]的高韌性、超低氫焊條施焊,并嚴(yán)格按焊條說明書的要求進(jìn)行儲存、烘干、保溫、使用,以減少熔敷金屬中的S、P含量及擴(kuò)散氫含量。

      5)焊件溫度低于-20 ℃時(shí)禁止施焊,在-5 ℃以下焊接作業(yè)時(shí),應(yīng)嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度、層間溫度、后熱處理及保溫措施,以保證焊接接頭的質(zhì)量。

      4 結(jié)論

      綜合以上分析,得到以下結(jié)論:

      1)定期檢驗(yàn)過程中,采用磁粉檢測發(fā)現(xiàn)Q370R氮?dú)馇蚬迌?nèi)部存在多處裂紋,開裂部位集中于上、下極板與赤道板間環(huán)向焊接接頭內(nèi)側(cè)焊道,大部分在熔合線處開裂,火了探究裂紋產(chǎn)生的原因,現(xiàn)場增加了磁記憶檢測和硬度檢測,發(fā)現(xiàn)了開裂部位存在應(yīng)力集中和硬度值較高的現(xiàn)象。

      2)結(jié)合球罐安裝資料,從球罐的材質(zhì)、焊接、熱處理等方面進(jìn)行了分析。首先計(jì)算了球罐鋼材的碳當(dāng)量和冷裂紋敏感指數(shù),得出Q370R存在一定淬硬和焊接冷裂紋傾向;其次發(fā)現(xiàn)球罐焊接時(shí)未按設(shè)計(jì)要求采用高韌性、超低氫壓力容器專用焊條,可能造成熔敷金屬中S、P含量及擴(kuò)散氫含量增加,加大了冷裂紋產(chǎn)生的可能性;同時(shí)分析焊接次序和熱處理效果,發(fā)現(xiàn)球罐上、下極板與赤道板間環(huán)向焊接接頭在焊接過程中可能因焊接次序?qū)е陆M對后的殘余應(yīng)力較大,且下部焊縫熱處理效果可能不達(dá)標(biāo),導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力過高。以上分析都與定期檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的裂紋位置相吻合。

      3)分析了安裝時(shí)環(huán)境溫度對焊接質(zhì)量的影響,提出了在高強(qiáng)鋼焊接時(shí),需要考慮環(huán)境溫度,適當(dāng)提高消氫處理的加熱溫度和保溫時(shí)間,并改善保溫措施。

      4)球罐裂紋的產(chǎn)生是由鋼材的淬硬傾向、熔敷金屬擴(kuò)散氫、接頭焊接殘余應(yīng)力造成的,工作應(yīng)力導(dǎo)致其擴(kuò)展。

      5)對應(yīng)裂紋產(chǎn)生的原因,從選材、焊接和熱處理等方面提出了預(yù)防措施。

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