纯碱行业液氨球罐的检验和检修

刘海杰

(唐山市特种设备监督检验所,河北 唐山 063000)

经验交流

纯碱行业液氨球罐的检验和检修

刘海杰

(唐山市特种设备监督检验所,河北 唐山 063000)

针对唐山某碱厂200 m3液氨球罐焊缝产生裂纹的情况,进行了进一步的检测和鉴定,分析了裂纹产生的主要原因是制造时消除残余应力热处理温度不够造成的。对缺陷彻底清除,对低于母材的焊缝进行补焊处理,重新做热处理。修补采用CHE507焊条的手工电弧焊补焊接修复工艺。焊后采用现场整体热处理消除焊缝应力,并做耐压试验,在水压试验当中做声发射监测,确认修复质量。

液氨球罐;裂纹;焊接;修复

该设备自2006年10月投产使用,于2007年6月经检验发现,内表面焊缝出现大量的裂纹,裂纹走向平直,经磁粉检测发现液氨球罐内表面焊缝产生裂纹56处,经打磨消除,最深达5 mm,经强度计算,满足使用要求,未作进一步的处理,运行1年后开罐再次检验,又发现焊缝产生许多新生裂纹,球罐12条纵缝上均有5、6处裂纹,裂纹条数达60多处,长度5～20 mm,经打磨消除,最深处同样达5 mm。液氨球罐技术参数:设计压力1.08 MPa,设计温度-10～8℃,最高工作压力0.8 MPa,规格φ7 100× 20,筒体材料16MnR,外部有保温。

1 液氨球罐的检验、检测

1.1 金相检测和化学成分

对焊缝、热影响区、母材进行了现场金相检测,经检测金相组织基本正常,焊缝上的组织为铁素体+贝氏体+索氏体,晶粒有点粗大,基本正常,热影响区和母材为铁素体+带状珠光体,金相组织正常;

在液氨球罐焊缝上取样,经专业部门进行化验,焊缝材料的化学成分见表1,出厂资料上焊材的化学成分见表2。从表1中发现出入比较大的是磷的含量增加很多,国家有关标准要求焊材和母材的硫磷的含量均小于0.03,比照标准焊缝磷的含量超标,磷的超标加大了焊缝产生裂纹的倾向。

表1 焊缝取样化学成分

表2 出厂焊材化学成分

1.2 焊缝表面扩探检测

对此罐外表面和所有角焊缝进行了磁粉检测或渗透检测,经检测发现外表面上环A4-A5,A9-A10丁字口沿处均有2～3条裂纹。经打磨消除,深度小于3 mm,角焊缝未发现裂纹。

1.3 焊缝内部检测

对此罐的焊缝进行了100%的超声波检测,采用两面四侧检测,发现2处超标缺陷,上环距A5-A6纵焊缝450 mm上有1处长20 mm深12 mm自身高度为5 mm的超标缺陷,上环距A12-A1纵焊缝700 mm处有一长80 mm,深8 mm自身高度为6 mm的超标缺陷(此处深为距内表面的距离)。对上述2处超标缺陷进行了射线检测,发现缺陷为条状夹渣,缺陷为断续未熔伴有夹渣。

2 修复方案

根据裂纹产生原因,特制订以下修复方案:对焊缝表面裂纹进行彻底打磨,消除所有裂纹,对低于母材的焊缝进行补焊处理;对焊缝内部缺陷未熔合进行炭弧气刨清除,用砂轮打磨补焊坡口,消除渗碳层,并用渗透检测合格后补焊补焊后进行表面磁粉检测和焊缝内部超声波和射线检测。检测合格后所有焊缝进行消除应力热处理,热处理温度为625 ±25℃,保温80 min,热处理后进行焊缝表面磁粉检测,最后进行耐压试验,在耐压试验中进行声发射检测,进一步确认焊缝质量。

3 补焊工艺及焊后应力消除

3.1 补焊工艺

1)焊前准备:补焊前应将焊缝周围50 mm范围内的污垢、漆皮、水锈等都必须清除干净,用砂轮打磨,直至露出金属光泽,并彻底清除缺陷并经磁粉检测,确认缺陷已消除干净,以防焊接过程中产生缺陷,。对于16MnR的焊接,选用国产J506R手工电弧焊条。焊前焊条以350℃恒温2 h进行烘干,放于保温筒内随用随取。

2)焊接工艺参数的选择

16MnR属于高强度低合金钢,应当注意其线能量不宜过大,太大的线能量将会造成焊缝金属冷却速度过慢,接头的过热区增宽,使晶粒粗化,影响塑韧性;但也不能过小,太小的线能量将使接头从800℃降至500℃时的冷却速度加快,可能形成淬硬组织而产生冷裂现象。根据经验和工艺评定,低合金钢的线能量控制在10～35 kJ/cm,能获得满意的综合性能。对此罐的焊接参数选用见表3。

3)手工电弧焊焊接工艺及要求

手工电弧焊采用直流反接。焊接过程中,层间必须用砂轮修磨,以防夹渣。

表3 焊接工艺参数

4)焊后检验

补焊48 h后,对补焊部位进行表面和超声波或射线检测,焊缝无损检测执行JB/T4730—2005标准。本次液氨球罐裂纹修复共补焊44处。经检查所有焊缝外观成形和焊缝两侧均熔合良好;焊缝外的引弧伤疤、飞溅物均用砂轮修磨除掉;焊缝表面、根部进行磁粉或着色检测无裂纹;挖补部位焊缝进行超声波探伤,符合JB/T4730.3—2005标准的要求,Ⅰ级合格,并经射线检测,符合JB/T4730.2—2005标准的要求,Ⅱ级合格。

3.2 焊后残余应力的消除

焊后焊缝进行消除应力热处理。采取燃油的方式进行整体热处理,测温点布置为16点,具体热处理温度控制见图1:

图1 热处理温度控制图

4 耐压试验

采用水压试验,在水压试验当中采用声发射对此罐进行检测,确认是否有活性缺陷源的存在,声发射监测从1.08 MPa到试验压力1.35 MPa,均匀升压,升压时间15 min,保压1.55 MPa,时间30 min;从1.08～1.31MPa均为升压,升压时间为15 min,保压1.31 MPa,时间为30 min(依次升压,保压)主要监测过程是一次升压,一次保压,二次升压,二次保压。本次试验监测一次升压、一次保压中监测的信号非常多,通过分析是现场环境,容器自身等干扰所致,本次监测数据依二次升压、二次保压采集为主,并进行数据分析:

1)二次升压中监测到的信号源:

①上环A6板所在环缝区域,信号强度平均值为51.0 db;②上环A3板所在环缝区域,信号强度平均值为49.9 db;③在A7-A8纵缝上有一区域,信号强度平均值为59.1 db。

2)二次保压中监测到的信号源:

④下环A5板所在环缝区域,信号强度平均值为53.0 db;⑤下方环 G2板与 G4板相交焊缝所在区域,信号强度平均值为50.6 db;⑥上环A9板所在环缝区域,信号强度平均值为53.9 db;⑦在A8-A9纵缝上有一区域,信号强度平均值为50.8 db。

从以上数据分析得出:二次升压与二次保压之间无重叠区域声发射源,对以上信号进行评级①～③为B级,④～⑦为C级。为安全起见,经超声、磁粉复探,无缺陷,可以继续使用。

5 结 论

1)裂纹产生的主要原因是制造时消除残余应力热处理温度不够,焊接残余应力未能消除,加上疲劳载荷及盛装的液氨介质本身因素,综合所致应力水平过高;

2)焊缝熔敷金属磷含量远远超过国家规范,磷含量超标,加大了裂纹产生的几率,也是裂纹产生的原因之一;

3)为了降低裂纹产生的几率,重新做热处理消除残余应力,降低焊缝应力水平;

4)使用中加强卸车时液氨中水分的监测;

5)采用新型检测技术,声发射监测可以进一步确认返修后的焊缝质量,确保罐体安全运行。

本次检验及检修消除了球罐缺陷,排除了安全隐患,保证了唐山某碱厂的正常生产,为该企业节约资金200余万元,得到了企业的好评,对纯碱行业液氨球罐检验及检修有重要的参考价值。

TQ 053.2

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1005-8370(2010)03-23-03

2010-04-07