Q370R钢制液氨球罐全面检验及裂纹成因分析

刘建杰，张保中，艾志斌

（合肥通用机械研究院有限公司压力容器与管道技术基础研究部，安徽合肥 230031）

0 引言

液氨在工业上应用非常广泛，主要用于生产硝酸、尿素和其他化肥，还可作为医药和农药的原料、有机化工产品的氨化原料以及用作冷冻剂等[1]。球罐作为液氨的重要储存容器，由于其介质的特殊性，必须确其安全使用。Q370R钢制液氨球罐具有良好的综合力学性能和工艺性能，可承受高温和腐蚀性介质的作用[2]，主要用于制造各类中低压压力容器。介绍贵州某化学有限公司的1台Q370R钢制液氨球罐的全面检验情况，分析检测中发现的内壁裂纹成因。

1 全面检验

贵州某化学有限公司的一台Q370R钢制液氨球罐，于2014年2月6日投入使用。该罐板厚50 mm，容积3000 m3；设计压力 2.16 MPa，工作压力 2.06 MPa；设计温度（-19～50）℃，工作温度常温；介质为液氨。

2016年，对该罐进行首次定期检验，共测厚108点，实测球壳最小壁厚50.3 mm。对接焊缝内壁进行100%磁粉检测，共发现48处线性缺陷。上述检验检测中发现的缺陷，已由相关返修单位返修合格，并进行了耐压试验（试验压力为2.7 MPa），结论为合格。最终安全状况等级评为3级，下次检验日期定为2017年10月。2017年7月，对球罐进行了全面检验。

1.1 宏观检验

实测纵、环焊缝最大对口错边量分别为5 mm和5mm，纵、环焊缝最大棱角度分别为6 mm和6 mm，纵、环焊缝最大余高分别为3 mm和3 mm。内壁宏观检验发现1处划痕（80 mm×10 mm×3 mm），已打磨圆滑过渡，实测附近壁厚为51.9 mm。内壁宏观检验发现1处凹坑（尺寸为150 mm×70 mm×3 mm），已圆滑过渡，实测凹坑附近壁厚为50.8 mm。内壁宏观检验发现1处密集小凹坑10个，最深2 mm，已圆滑过渡，实测凹坑附近壁厚为51.5 mm。

1.2 壁厚测定

壁厚测定共测264点，实测球壳最小壁厚值为50.1 mm。

1.3 无损检测

球壳对接焊缝进行100%超声检测，未发现超标缺陷。磁粉检测结果如下。

（1）外壁球壳对接焊缝、支柱与球壳连接角焊缝、下极板接管与球壳连接焊缝磁粉检测抽查（共抽查372 m），未发现缺陷磁痕显示。

（2）内壁下部球壳板材荧光磁粉检测抽查2处（分别为1000 mm×1000 mm和1000 mm×1200 mm），未发现缺陷磁痕显示。

（3）内壁下极板球壳板材荧光磁粉检测抽查2处（分别为1200 mm×1300 mm和1000 mm×1000 mm），未发现缺陷磁痕显示。

（4）内壁球壳对接焊缝、接管角焊缝进行100%荧光磁粉检测，共发现378处缺陷磁痕显示（均判为Ⅱ级），缺陷位于内壁对接焊缝及热影响区附近，包括上次返修的部分区域。经金相检验确认为裂纹，已出具检验意见通知书交用户处理，企业委托相关返修单位修复合格并进行了耐压试验。

（5）耐压试验后对接焊缝内壁磁粉检测抽查（共104 m），未发现缺陷磁痕显示。

最终安全状况等级评为3级，下次检验日期为2019年7月。

2 裂纹成因分析

2.1 硬度测定结果分析

内壁裂纹均位于现场组焊焊缝，而下人孔—极板对接焊缝则须在制造厂完成焊接并在炉内进行整体焊后热处理[3]，同时在检测中也未发现裂纹，故选取此处进行对比。对内壁裂纹区域及非裂纹区域、下人孔—极板对接焊缝进行硬度测定（表1）。结果显示，裂纹区域的焊缝及热影响区部位硬度值较高。非裂纹区域焊缝的硬度值与前者相比未有明显变化，而热影响硬度值虽然也偏高，但与裂纹区域的热影响区相比有明显下降。无论裂纹区域或是非裂纹区域，与下人孔—极板对接焊缝相比，其焊缝和热影响区的硬度值都较高。三者母材硬度值基本一致。通过以上对比发现，现场组焊的焊缝与制造厂完成的焊缝相比，焊接工艺或焊后热处理的控制存在问题，导致硬度值较高，从而引发较高的焊接残余应力。

2.2 金相检验结果分析

选取2处典型裂纹进行金相分析，标记为1#裂纹与2#裂纹。用4%硝酸酒精对2处裂纹进行浸蚀后（图1），发现裂纹主要位于焊缝及热影响区，其中焊缝上的裂纹主要为横向裂纹，位于焊缝与熔合线之间，未扩展至母材。纵向裂纹主要位于熔合线上，基本上与熔合线走向一致。

图1 裂纹宏观形貌

图2 和图3分别为1#裂纹和2#裂纹的微观形貌。其中，焊缝组织为铁素体+贝氏体，热影响区组织为铁素体+贝氏体+针状马氏体。结果表明，裂纹主要位于焊缝和热影响区，裂纹末端较细、有分叉，均有沿晶、穿晶扩展趋势，具有明显的应力腐蚀裂纹特征。图4为下人孔—极板对接焊缝的焊缝组织与热影响区组织，均为铁素体+贝氏体。1#和2#裂纹处的热影响区组织与其对比有明显区别，后者无马氏体组织。

图2 1#裂纹微观形貌

图3 2#裂纹微观形貌

图4 下人孔—极板焊缝微观形貌

2.3 综合分析

无水液氨（NH3）对碳钢或低合金钢只产生很轻微的均匀腐蚀，但液氨储罐在充装、排料及检修过程中，容易受到空气污染，混入氧气（O2）及二氧化碳（CO2），其反应如下：

上述反应使金属表面形成钝化膜，在拉应力的作用下，钝化膜产生破裂，造成应力腐蚀开裂。如果此时液氨中的含水量在0.005%～0.200%（质量分数），会增加金属的应力腐蚀敏感性[4]。

宏观检验中纵、环焊缝错边量较大，高于标准要求的3 mm[3]，形成几何不连续造成局部应力水平较高，同时焊缝及热影响区的硬度值较高表明残余应力水平较高。液氨储罐在充装、排料、检修过程中易受到空气污染，混入氧气及二氧化碳。查阅2017年前5个月的取样分析表，发现液氨内含有少量的水（0.04%～0.07%）。在这种敏感环境下，残余应力较高的焊缝发生了应力腐蚀开裂。

3 结论与建议

（1）裂纹主要位于焊缝和热影响区，裂纹末端较细、有分叉，均有沿晶、穿晶扩展趋势，具有较明显的应力腐蚀裂纹特征。

（2）宏观检验中纵、环焊缝错边量较大，形成几何不连续，造成局部应力水平较高，同时焊缝及热影响区的硬度值较高表明残余应力水平较高。液氨储罐在充装、排料、检修过程中可能受到空气污染，混入氧气及二氧化碳，实际操作中液氨含水量在0.005%～0.2%（质量分数）。在这种敏感环境下，残余应力较高的焊缝发生了应力腐蚀开裂。

（3）在液氨中加入少量的水且水含量＞0.2%（质量分数），控制焊接接头硬度≤225 HB，防止空气或氧气混入液氨[4]。