在役球形儲罐的檢驗與焊縫缺陷分析

林金峰*

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院）

0 引言

與圓筒形容器相比，球形儲罐具有占地面積小、介質(zhì)存儲量大、受力均勻、用材少等優(yōu)點，常用來儲存易燃、易爆介質(zhì)。由于球形儲罐一般為現(xiàn)場制造，施工難度大，在建造時往往因管理和工藝等因素，導(dǎo)致施工質(zhì)量參差不齊，給企業(yè)造成安全隱患[1-3]。在役檢驗是企業(yè)降低設(shè)備安全隱患的重要手段，但在役球罐的定期檢驗是以宏觀檢查、測厚、表面檢測和安全附件檢驗為主，埋藏缺陷檢測不是必檢項目，容易被忽視。本文以在役球罐檢驗案例為例，綜合分析了球罐焊縫缺陷的產(chǎn)生原因，并建議對2016 年以前建造的球罐進行埋藏缺陷檢測。

1 球罐的定期檢驗

某臺在役丙烯球罐于2014 年1 月建造投用，球罐材質(zhì)為Q370R，內(nèi)徑為15 700 mm，罐體厚度為50 mm，體積為2 000 m3。球罐設(shè)計壓力為2.16 MPa，最高工作壓力2.1 MPa，設(shè)計溫度為-10/50 ℃，工作溫度為35 ℃。相關(guān)研究表明[4]，球罐裂紋主要分布在柱腿與球殼板連接處的角焊縫、球殼板對接焊縫，這兩個部位是球罐檢驗的重點。本次球罐檢驗項目包括宏觀檢查、測厚、安全附件、內(nèi)壁100%熒光磁粉檢測、球罐下極板Y 形焊縫的X 射線檢測、柱腿與球殼連接角焊縫的磁粉檢測等，詳見表1。本次球罐焊縫的埋藏缺陷檢測采用了相控陣超聲檢測技術(shù)。與傳統(tǒng)的超聲波檢測技術(shù)相比，相控陣超聲檢測技術(shù)適用于檢測形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，其數(shù)據(jù)和圖像可記錄，缺陷尺寸測量也更精確，能夠通過一次掃查覆蓋整個檢測區(qū)域，其檢測結(jié)果更加可靠。目前，相控陣檢測技術(shù)正在逐漸取代常規(guī)超聲波檢測技術(shù)，成為特種設(shè)備無損檢測的重要技術(shù)。

表1 球罐檢驗方案

2 檢驗結(jié)果

球罐內(nèi)外表面未見明顯腐蝕，表面檢測和超聲測厚未見異常，但徑相控陣檢測后發(fā)現(xiàn)球殼對接焊縫的超標缺陷（超出制造標準）共50 處，經(jīng)射線檢測后發(fā)現(xiàn)2 處焊縫缺陷，經(jīng)磁粉檢測后發(fā)現(xiàn)3 處焊縫淺表面裂紋。在用球罐的缺陷處理原則是以合于使用為目的，當氣孔、夾渣等缺陷的尺寸超出制造標準時，可按照TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第8 章規(guī)定，確定各類缺陷的臨界尺寸，詳見表2。未熔合的臨界尺寸為自身高度為2 mm，長度為50 mm。夾渣的臨界尺寸為高度為4 mm，長度為150 mm。經(jīng)統(tǒng)計，裂紋和超過臨界尺寸的缺陷共計15 處，以埋藏缺陷為主，其中裂紋11 處、夾渣3 處、未熔合1 處，缺陷主要存在于立焊和橫焊焊縫。

表2 非圓形埋藏缺陷的臨界尺寸

3 焊縫缺陷原因分析

在役容器失效一般與使用過程中產(chǎn)生的缺陷或制造缺陷有關(guān)。該丙烯球罐正常運行，不存在超溫或超壓工況，介質(zhì)對Q370R 無腐蝕性，說明球罐的焊縫缺陷跟使用工況沒有關(guān)系，而是與安裝過程有關(guān)，或存在制造缺陷。

3.1 質(zhì)保體系運轉(zhuǎn)不良

質(zhì)保體系正常運轉(zhuǎn)是保證球罐安裝質(zhì)量的前提，質(zhì)保體系內(nèi)的各質(zhì)量控制責(zé)任人，應(yīng)對生產(chǎn)過程實施有效監(jiān)督和控制。經(jīng)宏觀檢查后發(fā)現(xiàn)，球罐外表面的橫焊和立焊焊縫存在咬邊和明顯的焊道溝槽，焊縫表面質(zhì)量沒有達到磁粉檢測的要求，焊接質(zhì)量可能存在問題。相控陣檢測結(jié)果也表明缺陷主要發(fā)生在橫焊和立焊焊縫。上述問題表明，檢驗責(zé)任師沒有在無損檢測前做好宏觀檢查工作，檢測責(zé)任師也沒有做好對檢測單位的質(zhì)量控制工作，施工單位的質(zhì)保體系運轉(zhuǎn)存在問題。

3.2 無損檢測原因

（1）射線檢測原因

射線源的種類和膠片類別對焊縫缺陷的檢出率有重要影響。X 射線的檢測靈敏度要優(yōu)于γ 源，射線檢測時應(yīng)優(yōu)先選擇X 光。膠片的類別越高，底片質(zhì)量越好，微小缺陷也越容易識別。該球罐安裝時，采用Ir192 源在內(nèi)全景曝光射線檢測工藝，底片黑度和像質(zhì)計影像識別也都符合當時的標準JB/T 4730—2005《承壓設(shè)備無損檢測》的要求，但該工藝的檢測靈敏度較低，一些小缺陷和裂紋類面型缺陷容易漏檢。從2015 年9 月起，隨著TSG 21—2016 和NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測》標準實施，已不建議對球罐采用γ 源全景曝光的射線檢測工藝。從表3 可知，相關(guān)標準對膠片類別提高了要求，并提出附加局部檢測的要求。

表3 標準中關(guān)于γ源射線檢測的要求

（2）磁粉檢測原因

磁粉檢測可以有效檢測鐵磁性材料的表面和近表面缺陷，缺陷檢出率受到表面粗糙度影響，表面粗糙度Ra?。ㄒ话鉘a≤25 μm），有利于磁懸液正常流動，檢測效果越好。在焊縫施焊后，一般應(yīng)對焊縫表面進行機械修磨，確保檢測順利實施。該球罐外壁的橫焊和立焊焊縫表面粗糙、成型較差，影響磁懸液流動，磁粉檢測效果不佳，導(dǎo)致缺陷漏檢。本次磁粉檢測發(fā)現(xiàn)的表面裂紋，可能是磁粉檢測漏檢所致。

3.3 鋼材的焊接性

鋼材的焊接性能主要取決于鋼材的化學(xué)成分，即碳和合金元素的含量。鋼中碳含量增加，其強度增加，塑性和韌性下降，淬硬傾向增大，焊接熱影響區(qū)被淬硬后，極易產(chǎn)生裂紋，使鋼材的抗裂性（焊接性）顯著降低。工程上通常用碳當量法對焊接產(chǎn)生的冷裂紋傾向及脆化傾向進行估算，即以鋼中的碳質(zhì)量分數(shù)為基礎(chǔ)，將其他合金元素的質(zhì)量分數(shù)折算成碳含量。國際焊接學(xué)會推薦的碳當量計算式為：

式中：WC，WMn，WCr，WMo，WV，WNi，WCu——分別為相應(yīng)元素的質(zhì)量分數(shù)。

根據(jù)表4 中各元素的含量計算出碳當量Ceq 值為0.439%。碳當量大于0.4%，表明焊后淬硬性和冷裂紋傾向明顯，焊接時需要采取提高焊件的預(yù)熱溫度和嚴格的工藝措施。

表4 Q370R的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） %

此外，球罐現(xiàn)場組對時的安裝應(yīng)力，也是導(dǎo)致殘余應(yīng)力和焊接裂紋的重要因素。

3.4 焊后熱處理工藝

焊后消應(yīng)力熱處理是將工件加熱到既定溫度后，保溫一定時間，使內(nèi)應(yīng)力高的地方產(chǎn)生塑性流動，彈性變形逐漸減少，塑性變形逐漸增加，達到消除應(yīng)力的目的。若焊后熱處理工藝不合理或?qū)嵤┎坏轿?，則無法到達消應(yīng)力的目的。查閱球罐安裝資料后發(fā)現(xiàn)，該球罐熱處理工藝要求的保溫溫度為（565±25 ）℃，實際熱處理溫度為540～580 ℃，保溫2 h。而NB/T 47015—2011 標準建議該材料焊后熱處理的保溫溫度不低于600 ℃，否則應(yīng)適當?shù)匮娱L保溫時間。因此，在540 ℃的保溫溫度下，該球罐應(yīng)至少保溫4 h，否則無法達到消除殘余應(yīng)力的目的。

4 結(jié)語

球罐安裝過程中質(zhì)保體系運轉(zhuǎn)不良、檢測工藝不合理、焊接冷裂紋傾向明顯、焊后消應(yīng)力熱處理效果不佳，是導(dǎo)致球罐焊縫缺陷的主要原因。為了有效降低球罐的安全風(fēng)險，在役檢驗時除了關(guān)注表面新生缺陷，還應(yīng)采用相控陣超聲檢測或衍射時差法超聲檢測（TOFD）等技術(shù)來檢測埋藏缺陷。在2016 年以前，采用全景曝光射線檢測技術(shù)建造的球罐，應(yīng)是在役檢驗的重點關(guān)注對象。