浅析回火焊道技术在氧气球罐裂纹返修中的作用

朱 兵* 沈正军

（南京市锅炉压力容器检验研究院）

0 引言

球形储罐是一种大容量、球状的储存压力容器，广泛应用于石油、化工、治金等行业。大型压力容器如球形储罐等在使用过程中，受温度、压力、介质腐蚀以及环境侵蚀等影响，容易产生应力腐蚀开裂等缺陷，严重影响球罐的使用寿命。为使球罐正常工作，需对损伤部位进行补焊返修，但在焊接修复过程中，由于焊接热循环的作用易造成修复部位残余应力增大、硬度提高、热影响区韧性差等，通常应采用焊后热处理来改善焊接部位的性能。球罐容积较大，若整体进行热处理费时又不经济，局部热处理往往由于受到现场条件制约，很难达到热处理效果。本文利用应力测试分析结合常规定期检验来验证采用回火焊道技术返修氧气球罐裂纹缺陷的情况。

1 回火焊道技术

回火焊道焊接技术作为一种新型的焊接技术，可以通过合理控制焊道几何尺寸、焊道搭接量和焊接热循环，来有效改善多层多道焊母材热影响区组织性能。该技术现已被ASME 和RCCM 规范写入标准文件中，并作为免除焊后热处理的焊接修复方法，在核工业、电站、石油化工等行业中广泛用于高温高压系统部件的焊接修复和更换。ASME 标准2004 版第Ⅸ卷中将回火焊道焊接技术定义为:在焊道表面的指定位置熔敷焊道，影响前一层焊道形成的热影响区或改变焊缝金属的治金性能。可以理解为通过控制形成特定的焊接热循环，使第二层焊道形成的细品区能够最大程度覆盖第一层焊道所形成的粗晶区，从而改善粗晶区的治金性能，以达到焊后热处理的实施效果。

Nakata K[1]，Aloraier A[2]，Liao M T[3]等学者分别从采用激光焊、药芯焊丝电弧焊和使用保护气体等方面对回火焊道技术进行了研究，而国内外学者对回火焊道技术应用在球罐裂纹缺陷返修工作中的研究则几乎没有。

2 研究对象

某石化企业中200 m3氧气球罐的结构为桔瓣式，1985 年5 月，由兰州兰石球罐工程有限责任公司压制球壳并进行现场安装，并于1986 年投入使用，球罐设计参数如表1 所示。2010 年10 月由南京市锅炉压力容器检验研究院开罐检验。经检测发现，该球罐下大环缝中有两处超标缺陷，均在球罐内的焊缝上（可见图1），且径经超声波检测判断为毛细浅表裂纹，第一处缺陷（A）长度为100 mm，深度为7 mm；第二处缺陷（B）长度为80 mm，深度为5 mm。2010年10 月，该球罐由中国化学工程第十四建设有限公司南京机械厂负责现场返修，返修时采用回火焊道技术，返修后其无损检测合格。

表1 球罐主要参数

图1 缺陷位置示意图

3 定期检验

TSG21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》详细规定了压力容器的检验程序。2019 年10 月，南京市锅炉压力容器检验研究院再次对该球罐开展定期检验，包括宏观检验、壁厚测定、表面无损检测及安全附件检查。通过检验发现其宏观无异常，壁厚测定数据在允许范围内，内表面荧光磁粉检测、外表面黑磁粉检测（补焊位置重点检测）均未发现异常，安全附件均在校验有效期内。定期检验结果显示回火焊道技术可以较好地应用在氧气球罐裂纹缺陷返修中。为了进一步验证回火焊道技术的可靠性，本文对球罐缺陷部位进行了应力测试分析。

4 应力测试分析

4.1 实验装置

电阻应变测量法是测定压力容器筒壁应变的常用方法。采用电阻应变仪测量法（即电测法）对该200 m3氧气球罐焊缝修理部位进行应力测试，通过实验测定与理论计算，掌握其受力情况，进而对其进行强度评定。实验采用HPJY-1004 型应变仪及BX120-3 电阻应变计。本实验采用二向90°应变花检测，共计20 个测点，具体布片方案如图2 所示。

4.2 实验步骤

（1）构件表面处理

检查应变片的外形完整性、测量其阻值是否与说明相符来去除断路和性能不佳的应变片。先用电动砂轮机和锉刀等工具清除裂纹区外表面的油漆、氧化皮和污垢等，然后用砂纸、细砂纸打磨至表面呈光亮的金属光泽，最后在待贴片的位置附近用笔进行定位标识。

图2 布片方案图

（2）贴片

用脱脂棉球沾取丙酮清洁表面油污、灰尘等脏污，然后用干棉球擦干。在应变花的粘贴面上均匀地涂抹一薄层502 胶水，再将其放到构件的贴片位置上，要注意挤出气泡内的空气，反复几次直到应变片粘紧。应变片的连接导线是在应变片彻底粘贴牢固后用锡焊连接，注意不要扯坏应变片或使线路短路。准备工作全部完成后，将导线接入应变仪，并将应变仪与计算机连接。

（3）实验加载及数据记录

实验装置连接测试完毕，采用场内压缩氧气进行加压，并记录数据。本实验采用依次加压，分别对0.52，0.98，1.48，1.96，2.8 MPa 5 个压力等级进行实验数据采集。各压力等级下的测点应变数据自动采集，各测点应力分布在28，50，79，110，130 MPa 左右，数据基本符合理论规律。

4.3 实验应力强度评定

（1）结果分析

测点在不同压力下的应力计算结果基本符合理论规律，数值在可接受范围内。

数据中存在一定误差，分析后推测是由应变片粘贴偏差导致的，但对应点的测试结果仍满足要求。

（2）强度评定

在最大工作压力2.8 MPa 下，应按第三应力强度理论来评定。一次薄膜应力应满足 ≤[σ]，[σ]=181 MPa，其中，[σ]为球罐的材料在常温下的许用应力。各测点在最大工作压力2.8 MPa 下的强度评定结果为合格。

5 结论

采用回火焊道技术修复的氧气球罐在定期检验时未发现新生缺陷，同时缺陷修复部位应力测试分析强度评定结果为合格，因此可以认为回火焊道技术可以应用在氧气球罐焊接返修过程中以替代常规热处理技术。