加氫站儲氫式壓力容器定期檢驗的對策

石亞超

（曲靖市質量技術監督綜合檢測中心，云南 曲靖 655000）

0 引言

儲氫式壓力容器作為加氫站的核心設備，承擔著優質氫氣的存儲和輸送任務。然而，由于其介質和使用環境的特殊性，儲氫容器的定期檢驗就變得尤為重要。曲靖市質量技術監督綜合檢測中心作為社會公益性技術檢驗檢測機構，本著服務企業，為企業提供有力的技術支持和安全保障，應積極采取對策，分析其特殊性并制定專業性和針對性的檢驗方案，確保儲氫容器的安全可靠運行。

1 加氫站儲氫式壓力容器材料特性及金相硬度檢測方法

1.1 07MnCrMoVR 低合金鋼的特性

相比普通低合金鋼，該鋼種具有高強度和低裂紋敏感性，其優點在于焊前不預熱或稍加預熱（約50℃）而較少生成裂紋，具有優良的焊接性能和韌性。由于其物理化學特性的優越性，低合金高強度鋼被廣泛應用于制造各類壓力容器。但是，屈服強度450MPa 以上或抗拉強度540MPa 以上的鋼種特別值得注意。由于球罐均為現場制造，在焊接過程中為防止產生焊接裂紋，往往需要采取焊前預熱措施，又因焊接工藝復雜、施工困難和環境條件惡劣等因素影響，使得焊接裂紋難以避免。經過大量的數據和理論的支持，對該材料制造的球罐從安裝過程到使用環節，必須嚴格控制原材料質量和現場組焊工藝，焊后進行整體消除應力熱處理，定期檢驗環節重點檢測內表面的氫腐蝕情況、應力腐蝕裂紋及其他各種氫損傷問題的產生情況就變的尤為重要了。在該2000 立方球罐（第三類）儲氫的特殊場景下，需要特別關注以下特性。

1.1.1 腐蝕性

特定介質環境下，低合金鋼的抗腐蝕性較其他材料略高，特別是在臨氫環境中的腐蝕速率一般隨溫度的增高、氫分壓增大而增大，并伴隨有裂紋產生。因此，在檢驗過程中需要重點關注容器內表面的腐蝕情況。

1.1.2 可靠性

低合金鋼的焊接性能較好，能夠滿足高壓容器的制造要求。但該鋼種在焊接過程中受環境影響易產生各種裂紋及其他缺陷，也會因熱處理工藝問題導致各種熱、冷裂紋的產生。因此，在制造安裝過程中監督不嚴就有可能失控，而失控導致的后果是嚴重的。

1.1.3 強度

低合金高強度鋼會應過高的強度，導致容器在制造和使用環節中出現大量的裂紋，增大事故發生的風險。因此需要在制造過程中通過熱處理等方式控制并降低其強度，同時在定期檢驗過程中也要重點關注因材料的強度狀況變化或應力集中導致的裂紋產生，并且對應力集中部位或進出口管直接沖刷的部位進行重點檢測。

1.2 化學成分分析、金相、硬度檢測及無損檢測方法的原理和步驟

光譜分析法是指各種元素在高溫、高能量的激發下都能產生自己特有的光譜，根據元素被激發后所產生的特征光譜來確定金屬的化學成分及大致含量的方法。

金相檢測是通過對材料表面精細化處理以后，用電子顯微鏡直接觀測材料內部組織結構變化，從而判斷材質是否在使用過程中出現異常。

而硬度檢測則是通過專業的檢測儀，在材料試樣上施加一定的力，通過測量試樣表面形變或破壞來確定材料的硬度，其檢測方法快速、便捷、無破壞性，測量數據準確。

以本次檢驗為例，提出各類檢測方法的原理和步驟。

1.2.1 化學成分分析

在該球罐母材及焊縫熱影響區具有代表性的部位各選取幾個點進行光譜檢測分析（去掉表層1mm 檢測），對比材料化學成分和原材料化學成分對比。

1.2.2 金相檢測的樣品制備

首先選擇球罐內表面具有代表性的部位，進行打磨和拋光處理，直到制備出符合標準要求的金相試件區域。在制備過程中，需要注意避免過度磨合。

1.2.3 金相顯微觀察

將制備好的金相位置架上電子金相顯微鏡進行觀察。通過金相顯微鏡觀察內表面的組織結構以及材料使用過程中出現的組織性能變化和損傷形態。

1.2.4 選取測量點

在觀察過程中，選擇符合標準的測量點，然后將其進行標識定位、拍照、記錄。通常，測量點應位于試件相同的組織結構、相同的顯微組織和外觀上的相同部位[1]。

1.2.5 硬度測量

通過硬度計進行測量，順著球殼板的編號進行硬度值的測量。詳細記錄測量的部位和數值，檢測部位需具有代表性，方便數據匯總后進行比對。

2 加氫站儲氫式壓力容器可能出現的損傷模式

定期檢驗是確保該類容器安全運行的重要環節。在定期檢驗中，需要關注該容器可能出現的各種損傷模式，以及對容器性能和安全使用狀況的影響。針對此球罐，闡述以下典型的損傷模式，并舉例說明。

2.1 氫腐蝕

在定期檢驗中，腐蝕是最為常見的一種。該球罐在使用一個周期后首次開罐檢驗，容器內壁發現一些輕微的腐蝕裂紋。通過金相顯微鏡檢測和化學分析，確認這些腐蝕裂紋是由于應力腐蝕和氫分壓過高導致的腐蝕損傷。

測量環境濕度和溫度，對腐蝕裂紋表面進行取樣分析，了解腐蝕環境的特點。根據腐蝕損傷的特點，選擇適當的防腐措施。例如使用防腐涂層、防腐封閉劑、加前置過濾干燥器等方法來緩解或消除腐蝕，對已經受到腐蝕損傷的部位進行清洗和修復。

2.2 疲勞

由于加氫站儲氫壓力容器在循環荷載下不斷發生應力的變化，容器壁可能會因制造缺陷出現疲勞裂紋。長期使用和高負荷的工況會使得疲勞裂紋逐漸擴展，最終導致容器的破裂。該球罐又采用低合金高強度鋼作為材料，在加氫站的使用過程中，可能遭受較大的壓力變化。通過定期檢驗發現，球罐內表面已經出現一系列微小裂紋[2]。

2.3 基礎沉降

基礎沉降是指容器基礎地基土層在附加應力作用下，發生的局部塌陷或開裂等變化。特別是不均勻的沉降，對此類大型設備影響最為嚴重。不僅對設備的支柱容易產生變形導致設備發生傾斜，也嚴重影響容器的穩定性，增加容器失效的風險。該球罐在檢驗過程中，發現有2 根支柱的基礎表面出現了一些明顯的裂紋，水泥地基的塌陷。為進一步分析和解決這一問題，曲靖市質量技術監督綜合檢測中心對該球罐的支柱進行垂直度測量和沉降測量，確定變形程度。利用光學測量全站儀和三維掃描技術，對變形量和沉降度進行量化測量和分析，以評估其對容器強度和穩定性的影響。

傳感器量程的選擇可根據設備的最大稱量值、選用傳感器的數量、設備的自身質量和發生的最大偏載及動載等要素歸納評估來判定[2]。一般來說，傳感器的量程越接近分配到每個傳感器的載荷，其稱量的準確度就越高。但在實際運用時，加在傳感器上的載荷除被稱物體外，還存在設備自身質量、包裝質量、偏載及振動沖擊等載荷，因而選用傳感器量程時，要考慮諸多方面的要素，確保傳感器的安全和壽命[3-4]。

2.4 沖擊

沖擊會導致容器壁出現裂紋、或與容器相連接的接管的破碎或脫落等，嚴重時會導致容器的破裂或爆炸。由于該企業附近近期遭受過一次常壓設備爆炸的影響，本次檢驗懷疑球罐會到較大的沖擊力，導致了部分變形和裂紋的出現。為驗證這一問題，此次定期中對該球罐朝向受影響面一側進行了細致的外觀檢查，在發現有沖擊損傷后，使用無損檢測（TOFD+MT 檢測方法）對容器外表面焊縫進行檢測，定性定量評估損傷程度和裂紋的長度、深度等。結合容器的設計和制造標準，采用有限元分析等工具評估球罐在沖擊下的受力情況，判斷容器是否承受沖擊后仍具備足夠的強度和密封性能。

3 定期檢驗的重點部位及無損檢測方法

在定期檢驗中，需要重點關注容器的關鍵部位，并使用適當的無損檢測方法進行檢測。以該球罐檢測方案及實施方法為例，詳細闡述以下重點部位以及相應的無損檢測方法的選擇。

3.1 下極板及溫帶焊縫

定期檢驗中，需要關注底部接頭的疲勞裂紋、腐蝕和錯變量等情況。無損檢測方法中常用的有超聲波檢測和磁粉檢測，錯變量用焊縫檢驗尺進行。通過超聲波檢測，可以對焊接接頭進行全面的檢測，識別潛在的問題并進行定量評估；而磁粉檢測則適用于對表面裂紋的檢測[3]。

3.2 罐體壁厚

罐體壁厚是決定容器承載能力和安全性的重要因素。定期檢驗中，需要關注罐體壁厚的腐蝕和減薄情況。超聲波測厚法能夠快速、準確地測量罐體壁厚，并提供實時數據進行評估。

3.3 焊縫

焊縫是連接各受壓元件的重要組成部分，其質量和可靠性直接影響容器的安全性。定期檢驗中，需要關注焊縫及其熱影響區的焊接質量、裂紋和腐蝕等情況。無損檢測方法中常用的有無損檢測常規五項（RT、UT、PT、MT、TOFD）。各種檢測手段之間相互補充，能夠有效的評估焊縫的完整性和可靠性。

3.4 無損檢測方法的比例選擇

一般來說，檢驗中采用的無損檢測方法應綜合考慮可行性、準確性、經濟性和安全性等因素。根據本次檢驗的實際情況，對于大型球罐的無損檢測，超聲波檢測（TOFD）和磁粉檢測（MT）、滲透檢測（PT）是檢驗該類容器的主要方法，比例不少于20%，合格級別應符合《承壓設備無損檢測》（NB/T 47013—2015）相關要求。

4 檢驗結果及裂紋性質分析

檢驗結果和裂紋性質分析可以幫助判斷容器的可靠性和持久性，并為進一步的維護、使用和修復提供指導性方向。針對本次對該球罐的檢驗，詳細闡述以下4個方面的內容。

4.1 多處裂紋的檢驗結果

4.2 裂紋的形貌特征

裂紋的形貌特征可以提供關于裂紋的成因和演化過程的重要線索。定期檢驗時，需要對裂紋的形貌進行詳細觀察和描述。在上述檢驗中，赤道板與下極板、赤道板與赤道板、下溫帶與下極板連接焊縫處的裂紋由焊趾處向熱影響區擴張或處于焊縫表面的縱向或橫向裂紋，長度最長的為12mm，最短的僅有2mm。

4.3 裂紋的性質

對裂紋性質進行分析可以了解裂紋對容器的影響程度和潛在破壞風險。分析應包括裂紋的深度、寬度、形態、擴展情況以及可能導致破壞的因素。在焊縫相交處可能導致應力集中，進一步加劇裂紋擴展的風險；而焊縫表面的細小裂紋雖然長度較短，但裂紋呈弧形或蛛網狀可能表明存在應力集中，也需要引起重視[4]。經過打磨后裂紋消除，深度最深1.5mm，長寬為10mm×13mm。

4.4 金相和硬度檢測結果的論證

金相和硬度檢測是對檢驗方案和缺陷原因判斷過程的一個論證，通過金相檢測，可以觀察裂紋周圍的組織結構，了解材料的性質和可能的裂紋起始點。硬度檢測可以提供材料的硬度值，作為判斷材料強度和韌性的指標。為了分析這一問題，曲靖市質量技術監督綜合檢測中心中心對該球罐內外表面進行大面積宏觀檢查，對腐蝕造成的裂紋進行定性和定量分析，確定腐蝕損傷的性質和程度，對部分裂紋進行金相檢測后，發現裂紋周圍存在變形體和晶界腐蝕現象，紋尖端表面走向延晶分布，由此可以推斷裂紋與焊接過程中的應力集中和使用過程中介質的腐蝕有關。

5 裂紋處理辦法

在發現裂紋后，需要采取相應的處理辦法，以確保容器的安全性和可靠性。以下詳細闡述以下兩個方面的內容。

5.1 裂紋修復技術

對于容器中的小型裂紋，可以采用局部打磨的方法進行修復。對于大型裂紋，需要對裂紋進行清理、打磨，重新進行表面無損檢測，確定缺陷完全清除后，再根據具體情況確定是否需要補焊和局部熱處理等工藝，保證焊縫質量和強度。此次檢驗中，對該球罐下溫帶與下極板一處長度較大的裂紋，采用了打磨后補焊方法進行修復，修復后對該部位重新進行局部熱處理工藝，消除因焊接產生的應力集中。

5.2 裂紋后續監測措施

在對裂紋進行修復后，需要進行后續的監測措施，以確保容器的運行狀態和安全性。后續監測措施包括縮短定期檢驗周期，每次開罐檢測時關注是否有新裂紋的產生及產生部位等。如企業需求，可對該球罐進行聲發射檢測[5]。

6 結語

綜上所述，針對該2000 立方球罐（第三類、低合金高強度鋼），介質為臨氫環境，會隨著強度級別的提高而加大產生應力腐蝕開裂的敏感性。需要嚴格控制材料的化學成分，特別是對含碳量的控制，嚴格控制鋼板和球殼板的表面質量檢查，加強對焊工執行工藝紀律情況的檢查，確保符合焊接工藝的要求，嚴格執行焊后消除殘余應力的整體熱處理工作，制定嚴謹的定期檢驗方案和檢驗重點檢測部位，采用先進的檢驗檢測技術和處理辦法，用金相和硬度檢測對檢驗工作進行佐證，同時采用新型材料和制造工藝，以提高球罐的安全性和可靠性，確保加氫站的安全穩定運行。