超期服役液化氣球罐檢驗案例分析

劉杰，李飛，賈銀翠，劉程遠，劉建杰

（合肥通用機械研究院特種設備檢驗站，安徽 合肥 230031）

在早期建成的石化企業中，存在著相當數量的業已超過設計壽命的超期服役壓力容器，它們本就先天不足帶病運行，再處于長期超期服役狀態，其安全性更受影響。將此部分設備更新在經濟上難以承受，技術上亦無必要。顯然超期服役容器的延壽與安全性是當是石化行業一個非常重要的課題。2017年4月受中石化某分公司委托，我單位對該公司的一臺超期服役的1000m3液化石油氣球罐做定期檢驗。該球罐為五帶八柱桔瓣式，1975年由安慶石化設計院設計，大連金州重型機器廠制造，化三建安裝，于1980年9月投用，操作壓力1.2MPa，操作溫度為常溫，主體材質為15MnVR，球殼板厚度34mm。原始出廠資料已丟失，有2005年、2009年、2013年的全面檢驗報告。

1 檢驗情況

考慮該球罐已服役接近40年，焊接原生缺陷多等原因，依據TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》制定了本次檢驗方案，檢驗項目包括：宏觀檢查；壁厚測定；內、外壁100%表面檢測；100%超聲檢測；TOFD抽查；硬度測試；金相分析等，檢驗發現的主要問題及處理措施如下。

宏觀檢查：發現球殼板存在有拼接結構，屬焊縫布置不當，結構不合理，但多年運行正常，并未產生新生缺陷，可定為3級，不做處理。

測厚：球殼板厚度正常，最小壁厚31.4mm；接管偏薄，下極極中板脫水管（ф60，下文稱“脫水管”）最小壁厚2.8mm，下極極側板熱電偶管（ф34，下文稱“熱電偶管”）最小壁厚2.1mm，對以上兩個接管做更換處理。

超聲及TOFD檢測：上次全面檢驗時超聲檢測發現并保留的65處超標缺陷未發現擴展，其他部位未發現超標缺陷。

表面檢測：內壁熒光磁粉檢測發現工卡具焊跡處表面裂紋10處，主要集中在下半球內壁定位塊附近，經打磨消除；外壁未發現表面缺陷。

硬度金相檢測：對表面檢測所發現焊跡缺陷部位進行硬度測試和金相分析。發現缺陷部位主要為淬硬組織，硬度值過高，最高達479HB。

2 原因分析及應對措施

2.1 厚度問題

（1）原因分析：針對厚度減薄情況，查閱近幾次檢驗報告得知：球殼板、脫水管、熱電偶管近幾次定期檢驗的實測最小壁厚，見表1。

表1 近幾次檢驗球殼板及接管實測壁厚對照表

從表中可以看出，球殼板及接管均有輕微腐蝕，也驗證了碳鋼及低合金鋼在液化氣環境中腐蝕速率較小，但超期服役近40年后，腐蝕總量較大。對于此類容器接管，我們不能粗略地將其簡化為只承受內壓的管道，強度校核僅需0.3～0.4mm，就判斷所剩壁厚足夠使用。實際情形還需要做開孔處應力集中的分析計算；相連管系的彎矩、柔性分析等。因未見設計、安裝、竣工等原始資料，故無法確定接管原始壁厚。經與用戶溝通得知，投用至今未更換過任何接管。不妨以腐蝕速率反推，以表中數據粗略核算約為0.1mm/年，大膽推算其原始壁厚：脫水管約為6.0mm，熱電偶管約為5.8mm。

對比本次所測數值，兩接管減薄約一半，且剩余厚度非常薄（均小于3mm），在運行、巡檢等過程中若有人為觸碰或誤操作等導致接管破損泄漏，則后果較為嚴重。從保守的角度我們提出更換接管的要求。

（2）應對措施：①使用單位應加強資料管理工作，資料一旦遺失給后續工作帶來許多困難。②在檢驗過程中不能忽視接管檢測。原因主要有：a.容器設計時，接管壁厚常依據相鄰法蘭壓力等級進行選取，與殼體并非同壽命設計。在相同的腐蝕速率、腐蝕量下，接管更易出現問題。b.接管與容器主體材質經常不盡相同，造成腐蝕速率不一致。若依容器主體腐蝕速率去推論接管腐蝕程度，易產生很多誤差。c.在安裝制造過程中，表面檢測是檢測接管角焊縫焊接質量的有效手段，可以檢出焊道間缺陷、近表面及表面開口缺陷。而埋藏缺陷難以檢測（超聲、射線檢測等較難實施），焊接質量難以監管，造成焊工在焊接時經常效率先行，只管表面質量是否合格，而忽視埋藏缺陷。這些原生缺陷經常帶來運行中的風險。在多次檢驗現場，經常可見到如下現象，可以證實上述情形：表面檢測發現接管角焊縫表面未熔合、裂紋等缺陷，在打磨處理中發現有未焊透等埋藏缺陷；更有甚者，沿缺陷深度方向稍加打磨即磨穿焊縫，實則制造時僅外部蓋面、下部根本沒有焊肉，外觀檢查合格即交付使用。

上述情況若在全面檢驗過程中發現并進行處理，則可規避風險；若在運行過程中發生泄漏甚至爆炸情形，則后果嚴重。

2.2 工卡具焊跡處表面裂紋

（1）原因分析：為了分析這些裂紋產生的原因，我們對這10處缺陷部位進行了現場硬度測試和金相分析等理化檢驗（硬度測試采用里氏硬度計進行測定，金相分析采用復膜金相方法）。檢驗分析各處缺陷后，發現其多為焊接工藝不當，產生了淬硬組織，從而形成的焊接裂紋。下面選取其中一處缺陷作以說明。

該缺陷部位侵蝕后的照片見圖1，硬度測試結果見表2，金相分析組織見圖2、圖3、圖4、圖5。

圖1 缺陷部位侵蝕后照片

從圖1可以很明顯的看出焊跡缺陷處各區域有明顯的分界線。我們將其劃分為相鄰母材（編號①區）、無裂紋區（編號②區）、裂紋區域（編號③區）。

表2 硬度測試結果

圖2 相鄰母材金相組織

圖3 無裂紋區金相組織

圖4 裂紋區域金相組織

圖5 裂紋尖端微觀形貌及周邊金相組織

圖2為母材區金相組織，組織正常，為鐵素體+珠光體，硬度范圍：135～152HB，圖3為無裂紋區金相組織，組織正常，為鐵素體+貝氏體，硬度范圍：185～192HB；圖4、圖5為裂紋區域金相組織、裂紋尖端微觀形貌及周邊金相組織，組織為針狀馬氏體組織，硬度范圍：381～479HB。

理化檢驗結果表明，裂紋區域產生了典型的淬硬組織，導致硬度值較正常部位大幅提高。產生淬硬組織的原因可能是工卡具焊接未按評定合格的焊條電弧焊焊接工藝進行，焊接工藝參數選擇不當，焊接線能量輸入過大或焊條停留時間較長，導致熔池溫度較高，加之未進行焊前預熱，焊接冷速過快，從而導致了淬硬組織的產生。淬硬組織力學性能較差（硬度強度大幅升高，塑性韌性明顯下降），在焊接殘余應力的作用下產生了裂紋。

經查閱相關文獻我們得知，15MnVR鋼焊接性能較差。該鋼C含量偏高，降低了焊接性能，增大了淬硬傾向，也就增大了裂紋傾向，在焊接中若處理不當，就容易產生焊接裂紋。若能采取焊前預熱，焊后保溫、緩冷等措施，可有效避免此類裂紋的產生。

而本球罐于1975年設計，參照當時的標準《鋼制焊接球形貯罐技術條件（JB1127-70）》，對于工卡具的技術要求僅在表面無損檢測方面做了部分規定，而在焊接方面并無任何規定。可以推測因當時無相關的技術要求，在安裝過程中很可能未采取焊前預熱、焊后保溫、緩冷等措施，從而在工卡具焊跡處產生淬硬組織，并形成焊接裂紋。這種推測與本文案例十分吻合，我們有理由相信標準的不足就是這些工卡具焊跡處淬硬組織及表面裂紋的成因。

（2）應對措施：①完善標準：1986年，第一版的《球形儲罐施工及驗收規范》GBJ 94-86施行，對工卡具焊接提出了明確要求。因其與現行的GB12337-2014《鋼制球形儲罐》要求基本一致，以下列出GB12337-2014中的相關條文以供參考。GB12337-2014 8.3.3.3定位焊及工卡具焊接有如下要求：a.對焊工的要求應與球殼焊接相同。定位焊和工卡具焊接按評定合格的焊條電弧焊焊接工藝進行。b.要求預熱后焊接的球殼，在定位焊及工卡具焊接處，至少應在150mm范圍內進行預熱。c.定位焊縫的長度應不小于50mm，引弧點和熄弧點應在坡口內。d.工卡具的焊接，引弧點和熄弧點應在工卡具焊道上。嚴禁在非焊接位置任意引弧和熄弧。e.工卡具拆除時，不得損傷球殼板。切除后應打磨平滑。從1986年開始至今，球罐安裝的相關標準：如《鋼制球形儲罐》（GB12337-1990、GB GB12337-98、GB12337-2014）；《球形儲罐施工及驗收規范》GB50094-1998、《球形儲罐施工規范》GB50094-2010，均對工卡具焊接提出了與上述條文相同的要求，有效控制了該類問題的發生。②結合工程實際加強管理，高標準、嚴要求：盡管標準規范實施多年，在多個球罐檢驗中，無論是老球罐還是新球罐，我們仍然常發現工卡具焊接缺陷。究其原因，我們認為這是由標準執行的不到位造成的。結合球罐安裝現場的工程實際我們發現在球殼板組對的安裝現場中，工卡具焊接有如下問題：a.定位塊數量眾多，且位置并無嚴格要求，造成拆除后的表面檢測容易漏檢，遺留各種缺陷；b.定位塊施焊部位的焊前預熱、焊后熱處理在現場組對過程中較難實施，造成執行不到位或不執行。c.在多次檢驗中也經常發現一些球罐的定位塊并未完全切除，留有余高約4～5mm，造成應力集中，超期運行過程中產生裂紋等缺陷。針對以上情形，不妨提出以下應對措施：a.加強管理，從標準制定、制造執行、安裝監理等方面提高要求，嚴格執行焊接工藝評定、焊前預熱、切除工卡具后應打磨平滑等措施，降低風險可能性。b.球罐安裝過程中對工卡具焊跡除了表面檢測外，適當增加檢測手段。金相分析難度較大，但可適當進行硬度抽查，如發現高硬度淬硬區則增加補救措施，有效避免焊接裂紋等危害性缺陷的產生。鑒于球罐安裝吊裝的實際情形，定位塊、吊裝用卡具等在上半球基本焊在罐外，下半球基本焊在罐內。結合本次檢驗結果，發現工卡具焊跡處裂紋皆出現在下半球內壁，安裝過程中的工卡具焊跡表面檢測、硬度檢測（如施行）等手段可著重檢查下半球內壁。

在球罐安裝時，對內壁工卡具焊跡處做硬度抽查能有效避免此類淬硬組織及裂紋的產生。這可由業主方在技術協議中提出要求，也請相關標準起草者予以考慮。

3 結語

作為石化企業保障安全運行的重要手段，細致有效的檢驗工作可檢出這類超期服役壓力容器眾多的原生缺陷、新生缺陷。同時分析成因，找出可行的應對措施，并為其延壽與安全性提出可靠的參考建議。

在對該球罐的檢驗中，我們發現了一些原生缺陷。危害性較大的予以處理消除：如消除焊跡處裂紋；危害性較小的予以保留：如拼接等不合理結構、未擴展的埋藏缺陷。也檢驗出了新生缺陷：如接管減薄（作更換處理）。這類新生缺陷大多是伴隨著在用容器運行中的腐蝕、沖刷、應力腐蝕、氫脆、疲勞、蠕變等與時間有關的破壞模式而產生的，危害性較大，必須予以消除處理。

綜上所述，以上在設計、安裝、資料管理、運行、檢驗等方面提出些許建議，還在定期檢驗的接管檢測、球罐安裝的硬度抽查等細節上給出了一些參考。