淺析液化石油氣球罐定期檢驗發(fā)現(xiàn)的缺陷及處理

曾浩，周欣

（海南省鍋爐壓力容器與特種設備檢驗所，海南 海口 570203）

液化石油氣是一種常見的能源性物質(zhì)，主要組成成分為丙烷、丙烯、丁烷、丁烯中的1種或者2種，具有易燃、易爆、受熱膨脹性和腐蝕性的特性。球罐具有節(jié)省鋼材、承載能力大、占地面積小，可分片運至現(xiàn)場安裝成形、容積大小基本不受運輸限制具有其他壓力容器無可比擬的優(yōu)點，在石油化工、城市燃氣等領域廣泛用于存儲氣體和液化氣體。液化石油氣球罐是國內(nèi)目前比較常見且比較危險的一類球罐，一旦泄漏，通常向地面低洼處迅速擴散，極易自燃，達到一定濃度后遇明火易發(fā)生爆炸，危害極大。因此，必須嚴格按照有關法規(guī)、標準的要求進行液化石油氣球罐的定期檢驗和缺陷評定、修復工作，確保球罐安全運行，保障企業(yè)安全。本文就某能源公司的1臺2000m3的液化石油氣球罐在定期檢驗過程中發(fā)現(xiàn)的缺陷進行了原因分析和處理，供使用人員和檢驗人員參考，以便在今后的使用和檢驗中及時發(fā)現(xiàn)問題，及時處理，防患于未然。

1 球罐概況

某能源公司1臺液化石油氣球罐容積為2000m3，內(nèi)徑為15700mm，高18250mm，球殼板材質(zhì)為Q370R，壁厚40mm，工作介質(zhì)為丙烷、正丁烷，設計壓力為1.77MPa，設計溫度為50℃，腐蝕裕量為1mm，支座型式為立柱式。該球罐于2018年3月投用，本次檢驗為首次定期檢驗。該球罐為混合式三帶球罐，赤道帶由20片赤道板組成，上下兩級分別由7片極板組成，共10根立柱，每根立柱長為10m，球罐結構圖如圖1所示。

圖1 球罐結構圖

2 定期檢驗情況

檢驗前，對球罐的設計資料、現(xiàn)場組焊資料、使用管理資料、檢查資料等資料進行了資料審查。通過審查資料了解了球罐的運行狀況，并制定了檢驗方案。檢驗項目以宏觀檢驗、壁厚測定、表面缺陷檢測、安全附件檢驗為主，并增加了埋藏缺陷檢測、硬度檢測等項目。經(jīng)過檢驗，發(fā)現(xiàn)了球罐存在機械損傷、裂紋、氣孔、立柱鉛垂度超標等缺陷。具體情況如下：

（1）宏觀檢驗。對球罐內(nèi)外表面進行宏觀檢驗，檢驗發(fā)現(xiàn)球罐赤道板存在一處凹坑，深度3mm，凹坑形貌見圖2。此外，通過測量立柱垂直度發(fā)現(xiàn)，立柱鉛垂度均超過標準要求的15mm，立柱鉛垂度按圖3所示方法測量，a1取值100mm，具體測量數(shù)值如下：1#～10#立柱的徑向偏差（a1-a2）分別為+40mm、+38mm、+42mm、+44mm、+26mm、+35mm、+20mm、-2mm、+10mm、+80mm。1#～ 10#立柱的周向偏差（a1-a2）分別為-8mm、+8mm、+18mm、+25mm、+20mm、+20mm、-5mm、-15mm、-10mm、-8mm。

圖2 宏觀檢驗發(fā)現(xiàn)的赤道板凹坑

圖3 立柱鉛垂度測量示意圖

（2）壁厚測定。對球罐每塊球殼板至少測厚測定，每塊板不少于5點，重點抽查制造成型時壁厚減薄部位、液位經(jīng)常波動的部位、接管部位、底部易受腐蝕部位等，實測最小壁厚為39.6mm，未發(fā)現(xiàn)異常，實測壁厚滿足設計使用要求。

（3）表面缺陷檢測。對球罐的內(nèi)表面所有對接焊縫進行100%熒光磁粉檢測，所有接管角焊縫進行100%熒光磁粉檢測+100%滲透檢測。對球罐外表面所有丁字口焊縫（長度為600mm×600mm×600mm）進行磁粉檢測，所有立柱角焊縫進行100%磁粉檢測，所有接管角焊縫進行100%磁粉檢測+100%滲透檢測。檢測發(fā)現(xiàn)，球罐內(nèi)表面共存在兩處焊趾裂紋，如圖4所示，裂紋A、B長度分別為0.9m和1.1m。球罐外表面溫度計接管角焊縫存在密集氣孔，打磨后檢測發(fā)現(xiàn)一條長度為15mm的裂紋，如圖5所示。

圖4 焊趾裂紋示意圖

圖5 接管角焊縫裂紋

將宏觀檢驗發(fā)現(xiàn)的赤道板凹坑打磨圓滑后進行熒光磁粉檢測，發(fā)現(xiàn)兩條長度分別為20mm的裂紋，如圖6所示。

圖6 赤道板凹坑裂紋

（4）內(nèi)部埋藏缺陷檢測。對球罐的外表面所有丁字口焊縫（長度為600mm×600mm×600mm）進行超聲檢測，未發(fā)現(xiàn)超標缺陷。

（5）硬度檢測。使用HT-2000A型硬度計對焊縫裂紋部位和正常部位進行了硬度檢測，每處測定點包括該處的焊縫、熱影響區(qū)以及母材，正常部位硬度值平均值為HB 198，裂紋處的硬度值平均值為HB230，比正常部位高HB32。

（6）安全附件檢驗。對球罐的兩個安全閥進行檢查，均在校驗有效期內(nèi)，符合要求。

3 缺陷原因分析

根據(jù)球罐當時現(xiàn)場組焊的情況、實際使用參數(shù)以及本次檢驗的結果，對球罐表面裂紋產(chǎn)生的原因以及立柱鉛垂度超標的原因進行分析。

（1）球罐表面裂紋的主要原因是硫化物應力腐蝕開裂。眾所周知，硫化物應力腐蝕開裂的主要影響因素主要有溫度、硬度、焊后熱處理、硫化氫分壓等，易在焊縫熱影響區(qū)和高硬度區(qū)表面起裂，并沿厚度方向擴展。而該球罐的使用溫度為常溫，滿足硫化物應力腐蝕開裂的條件。裂紋主要產(chǎn)生在下極板焊縫的焊趾線處，由于焊趾處存在咬邊、錯邊等結構的不連續(xù)，易產(chǎn)生較大的應力集中，再加上球罐現(xiàn)場組焊條件惡劣，熱處理效果不夠理想，焊接殘余應力未得到充分消除，使得焊趾處存在較大的殘余應力，裂紋處測得的硬度高達HB230可以說明這一點。通過審查資料發(fā)現(xiàn)，在一段時間內(nèi)該罐中H2S的含量高于設計值，達到了硫化物應力腐蝕開裂的條件。在上述各種條件的作用下，在下極板焊縫焊趾線處發(fā)現(xiàn)了硫化物應力腐蝕開裂。

（2）球罐立柱鉛垂度超標的原因主要是球罐當時現(xiàn)場安裝時，安裝單位責任心不夠，質(zhì)量把關不嚴而留下的安裝缺陷，并非使用過程中產(chǎn)生的變形。因為通過對球罐立柱與球罐殼體的焊縫進行了100%磁粉檢測，并未發(fā)現(xiàn)裂紋或其他缺陷，如果是使用過程中出現(xiàn)如此大的鉛垂度變形，那立柱與球罐殼體的焊縫應該會被拉裂。

4 缺陷處理

對所有裂紋進行打磨消除，裂紋經(jīng)打磨消除后形成了凹坑，凹坑所在部位的下極板壁厚為40.1，凹坑最大尺寸為長1200mm，寬60mm，深3.5mm。由于凹坑的存在已經(jīng)改變了球罐原來的應力分布，故不能簡單地采用剩余壁厚進行強度校核的方法，應根據(jù)《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》第8.5.4條的規(guī)定進行處理。由于凹坑的深度均超過壁厚余量（壁厚余量=實測壁厚-名義厚度+腐蝕余量=40.1mm-40mm+1mm=1.1mm），故需將凹坑按照其外接矩形規(guī)則化為長軸長度、短軸長度及深度分別為2A（1200mm）、2B（60mm）及C（3.5mm）的半橢圓形凹坑，計算無量綱參數(shù)G0，如果G0＜0.10，則凹坑在允許范圍內(nèi)。

下極板凹坑滿足進行無量綱參數(shù)計算的條件：（1）凹坑表面光滑、過渡平緩，并且其周圍無其他表面缺陷或者埋藏缺陷；（2）凹坑不靠近幾何不連續(xù)區(qū)域或者存在尖銳棱角的區(qū)域；（3）壓力容器不承受外壓或者疲勞載荷；（4）T/R小于0.10的薄壁球殼（T/R=40.1/（15700/2+40）=0.005）；（5）材料滿足壓力容器設計規(guī)定，未發(fā)現(xiàn)劣化；（6）凹坑深度C小于壁厚T的1/3并且小于12mm，坑底最小厚度（T－C）不小于3mm；（7）凹坑半長凹坑半寬B不小于凹坑深度C的3倍。無量綱參數(shù)G0按公式（1）進行計算：

對于球罐立柱鉛垂度嚴重超標的問題，由于定檢規(guī)沒有規(guī)定相應的處理辦法，所以經(jīng)過分析，綜合考慮了使用安全和使用單位實際情況，要求使用單位對其監(jiān)控使用。要求使用單位每年委托第三方有資質(zhì)的單位測量球罐立柱鉛垂度，并出具測量報告，監(jiān)控其變化。若遇到12級及以上臺風時，在臺風過去一周內(nèi)再次委托第三方有資質(zhì)的單位對球罐立柱鉛垂度進行測量，并出具測量報告，監(jiān)控其變化。

出具的檢測報告與原數(shù)據(jù)進行對比，數(shù)據(jù)的檢測值應不大于原數(shù)據(jù)的1.5倍且不大于100mm，一旦超標，將停止使用，并委托有資質(zhì)的特種設備檢驗機構進行合于使用評價或委托有資質(zhì)的球罐維修單位進行維修，取得相關合格使用證明后方可使用。

5 結語

通過對缺陷的處理，可以保證該球罐在正常工況下不會發(fā)生失效。但是，由于實際問題的復雜性，建議企業(yè)在今后的使用過程中，嚴格控制H2S含量，這樣才能有效地預防應力腐蝕開裂。另外，還應對立柱鉛垂度加強監(jiān)控，縮短球罐定期檢驗周期。目前，我國球罐數(shù)量眾多，必須嚴格按照《固容規(guī)》的要求認真開展球罐的定期檢驗和缺陷修復工作，這關系著球罐的安全運行關系到人民群眾的生命安全、企業(yè)的經(jīng)濟發(fā)展以及國家的繁榮穩(wěn)定。缺陷的處理應在滿足法規(guī)、標準的要求下，盡量地節(jié)省社會成本和減輕企業(yè)負擔。