储氧球罐的检验与修复

周 杨，王 勇，王 希，柏明清

（中国石油独山子石化公司研究院，新疆 独山子 833600）

1.概述

某400m3储氧球罐，2006年5月制造完成，于2007年在某车间做备用罐，根据TSG R7001-2004《压力容器定期检验规则》(以下简称《容检规》)2010年5月对其进行首次全面检验，发现多处超标缺陷。球罐基本参数如表1所示。

表1 球罐基本参数

2.检验

依据《容检规》压力容器定期检验的相关要求，全面检验方法包括宏观检查、壁厚及硬度测试、无损检测。检验结果如下。

(1)宏观检查

对球罐外观、结构、几何尺寸及焊缝检查均合格，在对球罐立柱的垂直度进行测量时，发现其中1根立柱超标。GB12337-1998《钢制球形储罐》 中规定，当立柱高度≤8 000mm时，立柱垂直度上下偏差应≤10mm。根据该要求，其余立柱垂直度父均合格。下次全面检验时应对垂直度超标的立柱进行重点检测，观察立柱垂直度上下偏差是否发展，以确定球罐的安全使用性能。

(2)壁厚及硬度测试

对该球罐内表面焊缝附近母材进行壁厚测试，实测最小壁厚值为55.38mm，壁厚合格。

硬度检测的主要目的是评价热处理的效果。抽取两处焊接接头分别对母材、热影响区及焊缝进行硬度检测，两处硬度值均符合材料标准要求。

(3)无损检测

①磁粉检测(MT)

球罐表面及近表面裂纹决定了球罐是否能安全运行，因此表面及近表面裂纹检测就显得十分重要。对该球罐内表面焊缝及球罐外立柱角焊缝进行表面检测，内表面进行荧光磁粉检测，罐外立柱角焊缝用黑磁粉检测，由于立柱角焊缝某些地方磁粉检测无法操作，为达到100%检测比例，在磁粉检测无法操作的部位进行渗透检测，检测结果未发现缺陷。

②超声波检测(UT)

埋藏缺陷有可能发展成活动性缺陷，超声波检测能精确检出埋藏缺陷，并能显示埋藏缺陷的位置及尺寸。依据检验方案对该球罐内表面焊缝进行了比例大于50%的超声波检测，如图1所示。因发现超标缺陷，将检验比例扩大为100%，共发现11处超标缺陷，最严重缺陷长度为85mm，缺陷自身高度最大3.0mm。缺陷检测结果见表2。

图1 储氧球罐内表面超声波检测缺陷部位示意图

③射线检测（RT）

用射线检测对超声波检测发现的超标缺陷进行验证以确定缺陷性质，11处超标缺陷均为未熔合。

(4)返修前安全状况等级评定

压力容器的检验结果综合评定，以其中等级最低者，作为评定级别。在《容检规》中，对一般压力容器非圆形缺陷与相应的安全状况等级有明确规定。该球罐的11处超标缺陷均属于未熔合，且其中有5处缺陷自身高度超过2mm，对照《容检规》中一般压力容器非圆形缺陷与相应的安全状况等级表，将该储氧球罐安全状况等级评定为4级，为了保证安全运行，决定对11处超标缺陷进行返修。

表2 超声波检测结果评定表

3.原因分析

由于本文所述球罐自建造完成至首次全面检验一直处于备用状态，且检验发现的缺陷均为未熔合焊接缺陷，由此可以判断该球罐缺陷是在现场组装过程中形成的。出现未熔合的原因主要是电流过小、焊条摆动不均匀，在两熔合线边缘电弧停留时间不够或焊条偏心时，使电弧偏于一侧又不能及时纠正，使母材或前一层焊道得不到充分的熔化就被填充金属覆盖而造成未熔合缺陷。

球罐的现场焊接与制造厂内压力容器的制造过程有一定差异，焊接质量受制于各种环境条件和工艺要求的影响。如果安装单位的现场焊接质量控制不严，以及监检单位的监检工作不到位，势必会给球罐遗留下各种不同程度的焊接缺陷，造成球罐产生先天性质量问题，给球罐的运行埋下事故隐患。

4.缺陷的处理

为保证修复后的球罐达到标准规定的质量要求，保障安全运行，决定采用局部消除缺陷，然后进行补焊修复的方案，具体工艺流程如下。

对缺陷位置进行超声波定位，确定缺陷深度→罐体上标注→缺陷消除→渗透探伤，确认缺陷挖除干净→焊接工艺评定及工艺的制定→开坡口并打磨→焊前预热→补焊→补焊后复检→局部热处理→磁粉探伤、硬度及壁厚检测→水压试验→磁粉探伤(缺陷修复部位、立柱角焊缝)。

(1)缺陷消除

利用碳弧气刨与砂轮机打磨对超标缺陷进行消缺处理，除B3-a缺陷从外部打磨，以便于之后的补焊操作外，其余缺陷全部由内部进行打磨。打磨深度根据超声波检测的缺陷埋藏深度确定，打磨坡口为45°圆底V型坡口。由于缺陷B1-b与B1-c间距仅为160mm，故将两处缺陷合并为一处进行消除，打磨长度为该两处缺陷之间的160mm以及两侧各延伸50mm，其余单个超标缺陷打磨长度均为100mm。确定缺陷打磨长度的目的在于尽可能地避免焊接残余应力。打磨消缺过程中应进行磁粉检测验证，直至超标缺陷消尽为止。

(2)焊前预热与后热

球罐球壳板壁厚较大、冷裂倾向大。裂纹对球罐的使用造成极大的危害。焊前做好预热、焊后及时后热是防止产生焊接裂纹的有效措施之一。

该球罐返修过程中，预热温度为150～200℃。预热时采用氧乙炔火焰预热。预热范围为返修处半径150mm内。补焊时，层间温度不低于175℃。焊后立即进行后热，后热温度为200～250℃，时间为0.5～1h，使用氧乙炔火焰进行后热。预热与后热及层间温度测量的位置，在距焊缝中心50mm处对称测量。

(3)补焊

该球罐的材质为16MnR，因此选用J507φ3.2mm焊条，焊条按批号进行扩散氢检验，符合使用要求。焊条烘焙温度为350～400℃，保温1～2h，烘干后的焊条放在保温筒中随用随取，若在大气中搁置4h以上，应再次烘干，但次数不得超过两次。同一部位焊缝返修不宜超过两次，如超过两次，返修前应当经过制造单位技术负责人批准，并且将返修的次数、部位、返修情况记入压力容器质量证明文件。焊接设备选用直流焊机，极性反接，焊接电流为110～140A，电压17～19V，焊接速度为100mm/min。返修时每道焊缝焊接前应用测温仪检查，达到预热温度后方可进行焊接。

(4)补焊后复检

焊接检验包括表面和内部检测两方面。

①焊缝和热影响区表面不得有裂纹、气孔、咬边、夹渣、凹坑、未焊满等缺陷，焊缝余高控制在0～4mm内。

②补焊结束36h后，进行表面磁粉检测。

③磁粉检测确认无表面缺陷后，采用超声波检测对焊缝进行埋藏缺陷的复检。检验前用砂轮机将焊缝磨光、外形圆滑过渡，去除表面污垢、熔渣及飞溅物等杂物。补焊后的球罐外表面补焊部位未发现超标缺陷，超声波检测及射线检测结果合格。

(5)局部热处理

补焊后在焊缝区有很大的残余应力，甚至可达到材料的屈服极限，有必要对补焊部位进行焊后消除应力处理。

热处理具体要求如下。

①焊接检验合格后进行局部热处理，热处理温度为625±25℃，恒温时间为2.5h，热处理范围为焊缝返修处沿焊缝长度方向两侧各1 500mm，宽度为焊缝中心两侧各150mm。热处理采用电加热法进行，使用保温棉包裹。热处理时，做临时球形支架将保温棉固定在球罐上。

②在300℃以上，升温速度50～80℃/h，降温时，降温速度控制在30～50℃/h，300℃以下在空气中自然冷却。

热处理过程分为加热、升温、保温、降温、缓冷五个步骤。测温点的设置为返修处内外表面各一个测温点，另在各返修点附近均匀设置共10处测温点，共计32个测温点，对热处理温度进行实时监测。为了检查热处理效果，热处理后，对热处理部位进行了硬度抽检，抽检结果合格。

(6)耐压试验

根据TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》中的规定，对球罐进行耐压试验。该球罐试验压力为4.26MPa，试验时对补焊处焊缝外部重点检查。经试验，无渗漏；无可见异常变形；无异常响声。试验结论为合格。水压试验完成后，对修复部位及立柱角焊缝进行磁粉探伤，未发现新生缺陷。

(7)返修后的安全状况等级评定

返修后的安全状况等级评定按照《容检规》的要求进行，将复检中超声波及射线检测发现的非超标缺陷与《容检规》中一般压力容器非圆形缺陷与相应的安全状况等级进行对照，将返修后球罐安全状况等级评为3级，可以安全投用。

5.结束语

球罐现场组装质量差将给生产装置带来许多安全隐患，这就需要在制造过程中进行有效监检，在使用中严格按照法规要求对球罐定期进行检验，及时查出、有效修复超标缺陷，严格控制检验和修复质量才能保证球罐安全投用，为确保球罐的安稳长期运行提供前提条件。

[1]TSG R7001-2004，压力容器定期检验规程[S].

[2]宁志敏.球罐焊接缺陷的产生及控制[J].山西科技，2000(42-43).

[3]TSG R0004-2009，固定式压力容器安全技术监察规程[S].

[4]刘超锋，刘亚莉，许培援等.国内球罐焊后热处理技术[J].压力容器，2006，23(9)∶38-43.