球罐上极板拼缝缺陷无损检测及处理探讨

陈福海（福建省锅炉压力容器检验研究院，福建 福州 350008）

球罐上极板拼缝缺陷无损检测及处理探讨

陈福海
（福建省锅炉压力容器检验研究院，福建 福州 350008）

球罐在使用过程的安全性非常重要。文中阐述了氮气球罐上极板拼缝缺陷的无损检测过程，对缺陷的形成原因进行了分析。分析结果表明，缺陷产生于安装、制造和使用过程。最后提出了缺陷的处理措施和注意要点。

球罐；裂纹；无损检测；TOFT

1 前言

球罐在石油化工工业上是一种重要的储存设备。与圆筒形容器相比其主要优点是：受力均匀；在同样壁厚条件下，球罐的承载能力最高，在相同内压条件下，球形容器所需壁厚仅为同直径、同材料的圆筒形容器壁厚的1/2（不考虑腐蚀裕度）；在相同容积条件下，球形容器的表面积最小，由于壁厚、表面积小等原因，一般要比圆筒形容器节约30%～40%的钢材。因而越来越广泛地应用于石油、化工、冶金等行业。

在石油化工行业，球罐主要用于储存液化石油气、液化天然气、丙烯等易燃易爆甚至有毒的介质，球罐一旦发生事故必将影响到企业的正常生产、造成一定的经济损失甚至造成人员伤亡。因此，分析并找出导致球罐失效、引发事故的缺陷显得十分重要。在全面检验中，最为常见的缺陷形式是裂纹，产生的形式与部位各不一样，为进一步了解在役球罐的缺陷情况，需要对在用球罐使用过程中产生的裂纹进行检验[1]。

2 球罐技术参数

福州某单位一台400m3氮气球罐于2006年4月投入使用，于2012年5月进行了第二次全面检验[2]，从投入使用至第二次全面检验已使用了6年。球罐技术参数如下所示：

3 缺陷无损检测

在2009年5月进行第一次全面检验时检验人员对该球罐进行超声波检测发现该球罐上极板拼缝F2×7焊缝存在两段长约30mm，间距100mm，深28mm，当量幅度SL+12dB的埋藏缺陷。检验人员经过判定这两段埋藏缺陷分别为气孔和夹渣。2012年5月第二次全面检验时，检验人员在对这两处缺陷用超声波检测进行复核发现，两处缺陷均已扩展成裂纹,总长约480mm，深24～36mm，当量幅度SL+16dB，缺陷位置如图1所示。

表1 400m3氮气球罐主要技术参数

图1 400m3氮气球罐上极板拼缝裂纹位置示意图

该处缺陷经TOFD检测[3]，缺陷可分为裂纹、气孔和夹渣三种类型，最大缺陷自身高度为13mm，TOFD检测图谱如图2所示。

图2 400m3氮气球罐上极板拼缝裂纹TOFD扫查图谱

为确认超声及TOFD检测的准确性，采用气刨对焊缝缺陷部位进行了解剖。为增强显示效果，解剖后对缺陷进行表面磁粉检测。缺陷解剖后可以很明显的观察到多条断断续续的裂纹并伴有夹渣，如图3所示。

图3 400m3氮气球罐上极板拼缝裂纹开挖后的图像

4 缺陷成因分析

由于介质为氮气，没有腐蚀性，因此不存在应力腐蚀环境。根据长期检验球罐的经验，该缺陷主要应该是在安装、制造和运行过程中产生的。经分析，其具体原因如下。

4.1 安装、制造过程

球罐焊接时要求表面不允许存在裂纹、气泡、折叠和夹杂等缺陷，球壳板不得有分层。球罐组对点焊完成，焊接顺序应该先纵后环，先赤道带后上下温带再上下极板，每条焊缝先焊大坡口侧后焊小坡口侧，并且采用多层多道焊焊接。球罐整体焊接时，焊工分布按对称焊接原则，要求同工艺、等速度。第一次全面检验时，发现气孔和夹渣等埋藏缺陷，从缺陷的深度来看缺陷处于焊缝根部是该球罐焊接时没有严格按照焊接操作规程进行，清根时未处理干净。

15MnNbR钢是在16MnR的基础上添加Ni、Nb、V等合金元素，具有优良的综合性能，其强度和韧性优于16MnR钢，而焊接性能与16MnR钢相近，是目前国内生产球壳板常用的材料。球罐容积大、壳体壁薄、球壳板刚度小，对其进行焊后整体热处理有助于消除由于组装和焊接引起的残余应力，而该钢焊接接头在560～620℃温度范围内选择SR处理温度可行。第二次全面检验时，发现两处缺陷均已扩展成裂纹，是球罐焊后整体热处理工艺欠妥,焊接引起的残余应力没有得到消除。

4.2 运行过程

球罐在该处焊缝留存多处条形缺陷，条形缺陷的存在会产生较大的应力集中，应力集中会使条形缺陷的尖端开裂[4]，球罐在运行过程中，在原先气孔和夹渣等埋藏缺陷处会受到应力集中和残余应力作用，当受力达到某一临界值时，这些埋藏缺陷会突然失稳扩展，形成裂纹。裂纹扩展过程中把邻近的缺陷串联起来形成较长的裂纹。由解剖后缺陷图像来看该缺陷是多个间隔不大的条形缺陷之间由裂纹连串起来。

5 处理措施与注意要点

5.1 处理措施

为防止此类缺陷的发生和进一步发展，应该采取以下措施：（1）应对该处进行缺陷消除处理,缺陷消除处理完成后应用表面检测确认缺陷完全消除；（2）对缺陷消除部位进行补焊填满,补焊后应使用超声波检测和射线检测(或TOFD检测)对补焊部位进行埋藏缺陷检测,使用表面检测对补焊部位表面进行表面缺陷检测。检测合格后还应对该部位进行局部热处理。

5.2 检验人员注意要点

为避免漏检或错检，检验人员在检验过程中应当注意以下三个方面：（1）每种无损检测方法都存在优缺点，在使用时应选择合适的方法及时机，当发现问题及缺陷时，应采用多种检测手段进行验证和判断，才能得到正确的结果；（2）进行无损检测前应了解焊接工艺，分析可能产生的缺陷。仪器设备在检验前应校验是否符合要求，检测时应认真、仔细，严格按照工艺卡进行；（3）检测人员应加强对新的无损检测技术的学习与应用，在检验检测时，使新的检验检测技术得到更好的运用。

6 结语

球罐缺陷的产生主要在于制造过程和运行过程。为避免缺陷的产生，球罐的安装、焊接应严格按照操作规程进行；使用过程应严格控制在允许参数内运行。

缺陷处理时，应确认缺陷完全消除及补焊后进行有效的检测手段来发现是否产生新生缺陷。

检测手段的选择，应根据合适的方法及时机，当发现问题及缺陷时，采用多种检测手段进行验证和判断，才能得到正确的结果。

[1]王成艳，窦雪飞，王成军，刘宝,液化气球罐裂纹分析及处理[J].石油化工设备技术，2014,35(2):34-36.

[2]TSG R7001-2013 压力容器定期检验规则[S].

[3]NB/T 47013.10-2010 衍射时差法超声检测[S].

[4]翁东山，07MnCrMoVR球罐焊缝裂纹成因分析[J].质量技术监督,2013,6:1 6-18.

Discussion on NDT and Processing with Spherical Tank Plate Flat-fell Seam Defects

CHEN Fu-Hai
(Fujian Boiler & Pressure Vessel Inspection Institute, Fuzhou 350008, Fujian, China)

The safety of the spherical tank in use process is very important. The NDT process with spherical tank plate flat-fell seam defects is expounded in this paper, and the reasons for the formation of defects are analyzed. The analysis results show that the defects in the process of the installation, manufacture and use. The treatment measures and attention points of the defects are finally proposed.

Spherical tank; Crack; NDT; TOFT

2015-01-14

陈福海，男，福建省锅炉压力容器检验研究院，检验员，助理工程师