丙烯球罐裂紋產生原因分析及解決措施

孫 睿

（內蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責任公司，內蒙古赤峰 025350）

0 引言

2臺球罐于2011年開始安裝，2012年投入生產使用，盛裝介質為丙烯，設計溫度50℃，設計壓力2.0 MPa，容積408 m3，主體材料為Q345R（正火），腐蝕余量為3 mm。在2019年9月、2020年6月進行內部檢驗時，采用UT+MT（即超聲檢測+磁粉檢測）相結合的方式對球罐內部焊縫進行全面檢測，球罐內部在上環焊縫及下環焊縫處發現表面裂紋。隨即對裂紋進行打磨，在打磨過程中檢測裂紋是否依然存在，在確認裂紋已清除后，利用焊接檢驗尺測量打磨深度，確認超出設計腐蝕余量的進行補焊處理，未達到補焊條件的進行打磨處理，形成圓滑過渡。

1 球罐裂紋的問題呈現

球罐內部的磁粉檢測采用熒光磁粉進行檢測，在上環焊縫及下焊縫發現近表面裂紋，裂紋位于焊縫下側焊趾處，長度一般為20～100 mm，最長裂紋可達600 mm（圖1、圖2）。

圖1 球罐表面裂紋

圖2 丙烯球罐裂紋的長度

球罐內部呈現均為表面裂紋，且數量眾多。以其中1臺丙烯球罐633-B001A為例，需進行補焊處理共計36處（圖3）。其中，上環焊縫共8處，已進行打磨處理，其中需補焊處約為4處，處理后長度最長75 mm，深度5 mm；下環焊縫缺陷需將焊趾下側進行拋光后，采取熒光磁粉進行檢測，已打磨處理缺陷成連續性呈現，幾處缺陷間距小于最小缺陷長度。

圖3 丙烯球罐表面裂紋分布

焊縫進行打磨處理，由于裂紋出現在母材與焊縫夾角處，在打磨完成后在焊縫與母材連接處形成一道溝壑。打磨處理的深度，如果超過設計的腐蝕余量，則依據TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》第8.5.4條要求處理：表面裂紋及凹坑，裂紋打磨后形成凹坑的深度，如果小于壁厚余量（壁厚余量=實測壁厚-名義厚度-腐蝕余量），則該凹坑允許存在。否則，將凹坑按照其外接矩形規則化為長軸長度、短軸長度及深度分別為2A（mm）、2B（mm）及C（mm）的半橢圓形凹坑，計算無量綱參數G0，如果G0＜0.10則該凹坑允許存在。經現場實際測量打磨后凹坑深度小于壁厚余量，檢驗機構要求對球罐進行補焊處理。

2 裂紋產生原因分析

球罐產生裂紋的原因主要有兩個，分別是環境因素和力學因素。

2.1 環境因素

氫是產生焊接裂紋的主要因素，造成焊接冷裂紋的主要原因是焊接過程中母材金屬吸附周圍環境中的氫元素或母材中固有的氫元素所造成的。坡口表面的處理，焊接部位周邊的銹蝕、水分、重皮或油污等，焊接時所選用的焊材型號及其干燥情況和施焊的母材的干燥條件，焊接作業時外界環境等都對氫元素有較大影響。現場施焊條件為露天作業，風速、氣溫、下雨等惡劣天氣對焊接質量有一定影響，2臺球形儲罐的安裝日期為2011年6月至9月，此時正值內蒙古夏季，空氣濕度為全年最大值，不排除環境因素對裂紋產生的影響。

2.2 力學因素

（1）內力因素。施焊過程中存在強力組裝，且先焊縱縫后焊環縫，環焊縫的應力過大。球形儲罐的現場組裝焊接過程其實是一個對球罐進行局部加熱的過程，在過程中產生應力與應變的循環。球形儲罐所采取的整體熱處理方式在進行熱處理時很難確保球形儲罐各個部位所受的熱處理溫度統一，因此很大概率上會造成局部應力過大。

（2）外力因素。球罐在使用過程中，因操作壓力波動、溫度變化、儲存介質腐蝕不平均等造成的局部應力過大。

從球罐外部發現，球罐的上下兩級于赤道板之間存在大量的熔池過寬的焊縫，從而懷疑在球殼板制造過程中，上下極板存在球殼弧度超出偏差的現象。在安裝過程中，為消除球殼弧度偏差對安裝的影響，在熔池較寬的情況下進行施焊，在焊接過程中產生了大量熱應力，在安裝完成后的熱處理中，未對較寬焊縫處進行專門熱處理，未徹底消除熱應力，在后續使用中相繼產生表面裂紋。

在丙烯球罐內部檢驗時發現，球罐內部焊縫存在大量咬邊后重新打磨并補焊的現象，而裂紋所在位置恰巧處于母材與裂紋的夾角處，從而分析球罐裂紋的產生是在球罐施工時球殼板與極板在焊口組對時，存在球殼板組對時焊口組裝不到位，焊接時存在大量咬邊現象，球罐內部可以清晰發現球罐內部環焊縫焊接后針對于咬口打磨及組焊接口的返修痕跡（圖5、圖6）。

圖5 焊縫處咬邊打磨痕跡

圖6 焊縫返修痕跡

綜上所述，分析球罐內部裂紋產生的直接原因是由于在組焊中熔池過寬從而產生的大量咬邊造成，在球形儲罐的后續使用中，由于盛裝介質從而導致裂紋數量的進一步增多和劣化。

3 球罐裂紋修復措施

根據丙烯球罐內部缺陷的類型、所處的位置及其深度的不同，對已產生裂紋的焊縫位置首先采取氣刨處理，隨后打磨最后進行焊接修補方法。所有缺陷的焊接修復均經外觀檢查，TOFD（Time of Flight Diffraction，衍射時差法超聲檢測）探傷（修理總深度大于3 mm時）、超聲波探傷合格后，才能確認焊縫修理合格。

具體修復順序如下：缺陷修磨→修磨焊槽→磁粉檢測→預熱→缺陷焊補→后熱→磁粉檢測→超聲檢測或TOFD檢測（修理總深度大于3 mm時）→局部熱處理→氣密試驗。

修復過程中應嚴格控制焊接過程，具體控制措施為：

（1）作好焊接材料的進場工作，焊條采用低氫型J507RH，規格為Φ4.0焊條。焊接材料必須具有產品合格證和質量證明文件，并根據焊接材料的生產批次進行熔敷金屬擴散氫含量復驗。焊接材料在投入使用前必須進行烘干，烘干溫度380～400℃、時間1 h。

（2）丙烯球罐內部搭設的用于檢修作業的腳手架，應滿足檢修作業中各工序的順利進行和施焊的環境要求，并由專人檢測每天施工作業時的天氣狀況并記錄，以便于在檢修作業時及時采取措施。

（3）焊接過程中如果出現下雨、風速超過8 m/s、相對濕度在90%及以上（焊接環境的溫度和相對濕度應在距球罐表面500～1000 mm處測得，每間隔2～4 h測量一次）等環境因素，不得進行施焊。

（4）施焊前應將磨槽表面和兩側至少20 mm范圍內的油污、鐵銹水分及其他有害雜質清除干凈。橫縫施焊時采用24～26 V的焊接電壓、140～180 A的焊接電流、12～25 kJ/cm的焊接線能量。焊接完成后應將焊縫及邊緣打磨光滑，經外觀檢查、磁粉探傷、TOFD探傷合格后，確認焊縫修理合格（圖7、圖8）。

圖7 焊縫缺陷進行氣刨處理

圖8 熒光磁粉檢測

4 丙烯球罐裂紋的預防措施

（1）球殼板的現場驗收應符合相關規范，對球殼板的各部位弦長進行測量，采用弦長大于2 m的樣板檢查球殼板曲率，測量時樣板應與球殼板保持垂直。沿各方向測量，每塊板不少于5個測量點。采用0.2 mm粗細的鋼絲進行球殼板對角線測量，兩根鋼絲的垂直距離偏差不得大于5 mm（表1）。需要注意的是，測量兩條對角線時兩條對角線應在同一個水平面上，如果兩對角線不相交則說明球殼板四角不在同一平面內，則認為球殼板有翹曲存在。

表1 球殼板幾何尺寸允許偏差

（2）球形儲罐在焊接時應依據焊接工藝評定報告編制焊接工藝規程，并采用具有經驗的焊工進行焊接，在焊接過程中焊工應均勻分布，先進行縱向焊縫焊接，再進行環向焊縫焊接，先焊接坡口深的一側再焊接坡口淺的一側，初道焊縫采用退焊法或跳焊法，焊接時采用相適的線能量。

（3）球罐在進行熱處理時依照規范進行，測溫點在球罐表面應均勻布置，相鄰測溫點間距小于4.5 m。測溫點的總數應符合規定。在距上人孔、下人孔和球殼板環焊縫邊緣0.2 m范圍內各設置1個測溫點，每塊球殼板的焊接試件應設1個測溫點。球罐焊后熱處理完成后應進行熱處理效果評定，效果評定內容主要包括產品試板力學性能試驗報告和熱處理工藝報告兩部分。

5 結束語

球形儲罐的裂紋產生有多種可能原因，在發現裂紋時應將其在第一時間進行處理，以免裂紋形成擴散到球罐整體，影響正常的使用和安全生產。丙烯球罐經修復后正常使用，熒光磁粉較黑磁粉可以更為有效地發現球罐內部存在的表面及近表面裂紋。