儲氧球罐的檢驗與修復

周 楊，王 勇，王 希，柏明清

（中國石油獨山子石化公司研究院，新疆 獨山子 833600）

1.概述

某400m3儲氧球罐，2006年5月制造完成，于2007年在某車間做備用罐，根據TSG R7001-2004《壓力容器定期檢驗規則》(以下簡稱《容檢規》)2010年5月對其進行首次全面檢驗，發現多處超標缺陷。球罐基本參數如表1所示。

表1 球罐基本參數

2.檢驗

依據《容檢規》壓力容器定期檢驗的相關要求，全面檢驗方法包括宏觀檢查、壁厚及硬度測試、無損檢測。檢驗結果如下。

(1)宏觀檢查

對球罐外觀、結構、幾何尺寸及焊縫檢查均合格，在對球罐立柱的垂直度進行測量時，發現其中1根立柱超標。GB12337-1998《鋼制球形儲罐》 中規定，當立柱高度≤8 000mm時，立柱垂直度上下偏差應≤10mm。根據該要求，其余立柱垂直度父均合格。下次全面檢驗時應對垂直度超標的立柱進行重點檢測，觀察立柱垂直度上下偏差是否發展，以確定球罐的安全使用性能。

(2)壁厚及硬度測試

對該球罐內表面焊縫附近母材進行壁厚測試，實測最小壁厚值為55.38mm，壁厚合格。

硬度檢測的主要目的是評價熱處理的效果。抽取兩處焊接接頭分別對母材、熱影響區及焊縫進行硬度檢測，兩處硬度值均符合材料標準要求。

(3)無損檢測

①磁粉檢測(MT)

球罐表面及近表面裂紋決定了球罐是否能安全運行，因此表面及近表面裂紋檢測就顯得十分重要。對該球罐內表面焊縫及球罐外立柱角焊縫進行表面檢測，內表面進行熒光磁粉檢測，罐外立柱角焊縫用黑磁粉檢測，由于立柱角焊縫某些地方磁粉檢測無法操作，為達到100%檢測比例，在磁粉檢測無法操作的部位進行滲透檢測，檢測結果未發現缺陷。

②超聲波檢測(UT)

埋藏缺陷有可能發展成活動性缺陷，超聲波檢測能精確檢出埋藏缺陷，并能顯示埋藏缺陷的位置及尺寸。依據檢驗方案對該球罐內表面焊縫進行了比例大于50%的超聲波檢測，如圖1所示。因發現超標缺陷，將檢驗比例擴大為100%，共發現11處超標缺陷，最嚴重缺陷長度為85mm，缺陷自身高度最大3.0mm。缺陷檢測結果見表2。

圖1 儲氧球罐內表面超聲波檢測缺陷部位示意圖

③射線檢測（RT）

用射線檢測對超聲波檢測發現的超標缺陷進行驗證以確定缺陷性質，11處超標缺陷均為未熔合。

(4)返修前安全狀況等級評定

壓力容器的檢驗結果綜合評定，以其中等級最低者，作為評定級別。在《容檢規》中，對一般壓力容器非圓形缺陷與相應的安全狀況等級有明確規定。該球罐的11處超標缺陷均屬于未熔合，且其中有5處缺陷自身高度超過2mm，對照《容檢規》中一般壓力容器非圓形缺陷與相應的安全狀況等級表，將該儲氧球罐安全狀況等級評定為4級，為了保證安全運行，決定對11處超標缺陷進行返修。

表2 超聲波檢測結果評定表

3.原因分析

由于本文所述球罐自建造完成至首次全面檢驗一直處于備用狀態，且檢驗發現的缺陷均為未熔合焊接缺陷，由此可以判斷該球罐缺陷是在現場組裝過程中形成的。出現未熔合的原因主要是電流過小、焊條擺動不均勻，在兩熔合線邊緣電弧停留時間不夠或焊條偏心時，使電弧偏于一側又不能及時糾正，使母材或前一層焊道得不到充分的熔化就被填充金屬覆蓋而造成未熔合缺陷。

球罐的現場焊接與制造廠內壓力容器的制造過程有一定差異，焊接質量受制于各種環境條件和工藝要求的影響。如果安裝單位的現場焊接質量控制不嚴，以及監檢單位的監檢工作不到位，勢必會給球罐遺留下各種不同程度的焊接缺陷，造成球罐產生先天性質量問題，給球罐的運行埋下事故隱患。

4.缺陷的處理

為保證修復后的球罐達到標準規定的質量要求，保障安全運行，決定采用局部消除缺陷，然后進行補焊修復的方案，具體工藝流程如下。

對缺陷位置進行超聲波定位，確定缺陷深度→罐體上標注→缺陷消除→滲透探傷，確認缺陷挖除干凈→焊接工藝評定及工藝的制定→開坡口并打磨→焊前預熱→補焊→補焊后復檢→局部熱處理→磁粉探傷、硬度及壁厚檢測→水壓試驗→磁粉探傷(缺陷修復部位、立柱角焊縫)。

(1)缺陷消除

利用碳弧氣刨與砂輪機打磨對超標缺陷進行消缺處理，除B3-a缺陷從外部打磨，以便于之后的補焊操作外，其余缺陷全部由內部進行打磨。打磨深度根據超聲波檢測的缺陷埋藏深度確定，打磨坡口為45°圓底V型坡口。由于缺陷B1-b與B1-c間距僅為160mm，故將兩處缺陷合并為一處進行消除，打磨長度為該兩處缺陷之間的160mm以及兩側各延伸50mm，其余單個超標缺陷打磨長度均為100mm。確定缺陷打磨長度的目的在于盡可能地避免焊接殘余應力。打磨消缺過程中應進行磁粉檢測驗證，直至超標缺陷消盡為止。

(2)焊前預熱與后熱

球罐球殼板壁厚較大、冷裂傾向大。裂紋對球罐的使用造成極大的危害。焊前做好預熱、焊后及時后熱是防止產生焊接裂紋的有效措施之一。

該球罐返修過程中，預熱溫度為150～200℃。預熱時采用氧乙炔火焰預熱。預熱范圍為返修處半徑150mm內。補焊時，層間溫度不低于175℃。焊后立即進行后熱，后熱溫度為200～250℃，時間為0.5～1h，使用氧乙炔火焰進行后熱。預熱與后熱及層間溫度測量的位置，在距焊縫中心50mm處對稱測量。

(3)補焊

該球罐的材質為16MnR，因此選用J507φ3.2mm焊條，焊條按批號進行擴散氫檢驗，符合使用要求。焊條烘焙溫度為350～400℃，保溫1～2h，烘干后的焊條放在保溫筒中隨用隨取，若在大氣中擱置4h以上，應再次烘干，但次數不得超過兩次。同一部位焊縫返修不宜超過兩次，如超過兩次，返修前應當經過制造單位技術負責人批準，并且將返修的次數、部位、返修情況記入壓力容器質量證明文件。焊接設備選用直流焊機，極性反接，焊接電流為110～140A，電壓17～19V，焊接速度為100mm/min。返修時每道焊縫焊接前應用測溫儀檢查，達到預熱溫度后方可進行焊接。

(4)補焊后復檢

焊接檢驗包括表面和內部檢測兩方面。

①焊縫和熱影響區表面不得有裂紋、氣孔、咬邊、夾渣、凹坑、未焊滿等缺陷，焊縫余高控制在0～4mm內。

②補焊結束36h后，進行表面磁粉檢測。

③磁粉檢測確認無表面缺陷后，采用超聲波檢測對焊縫進行埋藏缺陷的復檢。檢驗前用砂輪機將焊縫磨光、外形圓滑過渡，去除表面污垢、熔渣及飛濺物等雜物。補焊后的球罐外表面補焊部位未發現超標缺陷，超聲波檢測及射線檢測結果合格。

(5)局部熱處理

補焊后在焊縫區有很大的殘余應力，甚至可達到材料的屈服極限，有必要對補焊部位進行焊后消除應力處理。

熱處理具體要求如下。

①焊接檢驗合格后進行局部熱處理，熱處理溫度為625±25℃，恒溫時間為2.5h，熱處理范圍為焊縫返修處沿焊縫長度方向兩側各1 500mm，寬度為焊縫中心兩側各150mm。熱處理采用電加熱法進行，使用保溫棉包裹。熱處理時，做臨時球形支架將保溫棉固定在球罐上。

②在300℃以上，升溫速度50～80℃/h，降溫時，降溫速度控制在30～50℃/h，300℃以下在空氣中自然冷卻。

熱處理過程分為加熱、升溫、保溫、降溫、緩冷五個步驟。測溫點的設置為返修處內外表面各一個測溫點，另在各返修點附近均勻設置共10處測溫點，共計32個測溫點，對熱處理溫度進行實時監測。為了檢查熱處理效果，熱處理后，對熱處理部位進行了硬度抽檢，抽檢結果合格。

(6)耐壓試驗

根據TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全技術監察規程》中的規定，對球罐進行耐壓試驗。該球罐試驗壓力為4.26MPa，試驗時對補焊處焊縫外部重點檢查。經試驗，無滲漏；無可見異常變形；無異常響聲。試驗結論為合格。水壓試驗完成后，對修復部位及立柱角焊縫進行磁粉探傷，未發現新生缺陷。

(7)返修后的安全狀況等級評定

返修后的安全狀況等級評定按照《容檢規》的要求進行，將復檢中超聲波及射線檢測發現的非超標缺陷與《容檢規》中一般壓力容器非圓形缺陷與相應的安全狀況等級進行對照，將返修后球罐安全狀況等級評為3級，可以安全投用。

5.結束語

球罐現場組裝質量差將給生產裝置帶來許多安全隱患，這就需要在制造過程中進行有效監檢，在使用中嚴格按照法規要求對球罐定期進行檢驗，及時查出、有效修復超標缺陷，嚴格控制檢驗和修復質量才能保證球罐安全投用，為確保球罐的安穩長期運行提供前提條件。

[1]TSG R7001-2004，壓力容器定期檢驗規程[S].

[2]寧志敏.球罐焊接缺陷的產生及控制[J].山西科技，2000(42-43).

[3]TSG R0004-2009，固定式壓力容器安全技術監察規程[S].

[4]劉超鋒，劉亞莉，許培援等.國內球罐焊后熱處理技術[J].壓力容器，2006，23(9)∶38-43.