Q370R 液氨球罐裂纹产生原因及修复方案

孙 顺

（内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气有限责任公司，内蒙古赤峰 025350）

0 引言

内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气有限责任公司（以下简称克旗公司）在役使用的一台2000 m3液氨球罐于2010年10 月制作完成，2013 年7 月投用，设计及制造单位均为兰州兰石机械设备有限公司，现场安装单位为四川省工业设备安装公司球罐专业公司。球罐现场安装完成后对所有A、B 类焊接接头进行了100%射线检测，并进行了20%超声复检，同时对A、B、D 类接头内外表面进行了100%磁粉检测。该球罐在2019 年10 月由赤峰特检所进行定期检验，检验采用下半球100%超声波检测加100%荧光磁粉检测和TOFD（Time Of Flight Diffraction，超声波衍射时差法）探伤抽检的方式，在检验中发现一处大面积表面树枝状裂纹。发现裂纹后，检验单位根据规定对球罐进行扩大检验，对内部进行全面检验。同时克旗公司马上组织赤峰特检所、合肥通用机械研究所、兰州兰石机械设备有限公司、湖南湘东化工机械有限公司相关专家对发现裂纹的成因进行分析，并制定了详细的修复方案组织修复。

1 裂纹成因分析

1.1 球罐技术参数

内经：15 700 mm；公称容积：2000 m3；设计压力：2.0 MPa；设计温度：-19～50 ℃；介质：液氨；材料：Q370R；壁厚：52 mm；容器类别：3 类。

1.2 裂纹部位及外观

裂纹所在焊缝位于球罐赤道板与下温带板的T 形焊缝处，裂纹形态为树枝状，面积约为300 mm×70 mm，深度5～10 mm。裂纹起源于焊缝的熔合线，向母材延伸，整体为横向裂纹。裂纹扩展中有分叉，具有典型的应力腐蚀裂纹特征。

1.3 裂纹成因分析

（1）对裂纹区域焊缝与非裂纹区域焊缝进行硬度检测对比，发现裂纹区域焊缝硬度没有明显增加，因此基本可排除局部焊接工艺不规范或热处理控制不到位，造成该处焊接残余应力过大的情况。

（2）裂纹所在焊缝位于赤道板与下温带板的T 形焊缝处，现场检查发现此处球板有组对夹具焊接的痕迹，存在强行组对焊接的情况。强行组对会在球罐的组对焊缝中造成很高的拘束应力。同时在焊接过程中产生的焊接热应力和组织应力使焊缝中不可避免地产生焊接残余应力，使球罐具备了发生应力腐蚀的条件。

（3）纯净的液氨（NH3）对碳钢或低合金钢只产生很轻微的均匀腐蚀，但液氨球罐在充装、排料、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。

2 裂纹修复方案

2.1 裂纹修复程序

（1）通过对该球罐缺陷的观察、分析，缺陷属于表面应力腐蚀裂纹，位置在赤道板与温带板的T 形焊缝处，裂纹深度5～10 mm，因此选择碳弧气刨加打磨的方法对缺陷进行清理，再采用电焊补焊的修复方法进行缺陷修复。

（2）缺陷在焊接修复后必须经过外观检查、荧光磁粉探伤、超声探伤、TOFD 探伤合格后，才能确认焊缝返修合格。

具体修复顺序如下：①荧光磁粉探伤确认缺陷范围；②超声波检测缺陷深度；③碳弧气刨对缺陷进行清除；④荧光磁粉检测，确认裂纹清除完毕；⑤补焊前进行焊缝预热；⑥对缺陷部位进行电焊焊补处理；⑦进行补焊后后热消氢处理；⑧对补焊修复部位进行磁粉检测、超声波探伤和TOFD 探伤检测；⑨对补焊部位进行局部热处理。

2.2 焊条的选择及烘干

（1）此次球罐表面裂纹修复选用低氢型J557RH 焊条，焊条规格为Φ4.0 mm。采购的焊条必须具有质量证明书，并在到场后按批号进行化学成分及力学性能复验。复验的焊条熔敷金属化学成分见表1，焊条熔敷金属力学性能见表2。其中，焊条熔敷金属扩散氢含量（水银法）≤4.0 mL/100 g，药皮含水量≤0.15%。

表1 焊条熔敷金属化学成分%

表2 焊条熔敷金属力学性能（620 ℃×1 h 回火）

（2）焊条使用前要进行烘干，此次焊条烘干采用ZYH-100 型焊条烘干箱，烘干温度设置在380～400 ℃，烘干时间设定为1 h。

（3）焊条烘干时，要在烘箱内温度为常温时将焊条放入烘箱，再缓慢升高烘箱内温度。待焊条烘干后不得突然冷却，要保存在温度为100～150 ℃恒温箱或焊条筒中随用随取，取用时要遵照先放先取的使用原则，同时要认真检查，确保焊条表面药皮无明显的裂纹和脱落的情况。

2.3 裂纹焊接修复

（1）球罐缺陷采用碳弧气刨进行清除，依据超声检测和磁粉复验确定缺陷区域。气刨前对待气刨区域左右150 mm 内预热100～150 ℃，在缺陷长度头尾两端垂直气刨出80 mm 的止裂槽，然后沿着长度方向缺陷外侧，平行刨出两条长300 mm 止裂槽，形成一个“口”字形止裂槽，将裂纹包围在止裂槽内，气刨的深度超过探伤缺陷深度，用砂轮机将止裂槽打磨干净后做磁粉探伤，确认裂纹情况。止裂槽内正常母材侧不能有裂纹，如有裂纹，则在现有止裂槽外侧扩宽，直到无裂纹为止。外围止裂槽刨好并预热完，沿300 mm 长裂纹区，每隔100 mm 刨出80 mm垂直止裂槽，深度按探伤缺陷最深数值气刨。荧光磁粉探伤检查槽底有无裂纹，如有则继续深挖，初步确定槽底无裂纹为止，然后沿长度方向选一头往缺陷区域气刨，直至刨完缺陷区域。对内部缺陷的清除,采用砂轮机磨削,逐层剥除的方法,缺陷清除后,经荧光磁粉探伤合格后方可进行补焊处理。

（2）焊接前，需要在焊件的焊接侧进行预热，预热区域为以焊补部位为中心，在半径为100 mm 的范围内。预热采用硅板预热器，并准确安装在需预热部位，预热温度为125 ℃，并取较高的预热温度。

（3）此次修复选用ZX7-400 型电焊机，施焊时采用多层、薄层的焊方式进行焊接。每一条焊道的宽度在不超过焊芯直径4倍的前提下，适当加宽，避免出现“驼峰”焊缝。每一层焊道的厚度不得超过3.5 mm，防止应力集中，产生裂纹。焊接全程使用手持测温枪对层间温度进行监测，确保层间最高温度控制在100～200 ℃范围内。电弧高度要控制在合适的范围内，不宜过高或过低，避免焊缝出现气孔和夹渣的情况，一般推荐在焊条直径的0.5～1 倍。选择合适的焊接电流和焊接速度以调整单位长度焊缝所得到的焊接电弧热能量——焊接线能量，线能量过小容易形成淬硬组织，线能量过大又会降低材料的韧性。因此要避免在其下限值附近进行短焊道焊接，同时在接近上限时不进行多层连续焊接。本次修补采取的焊接工艺参数详见表3。

表3 焊接工艺参数

（4）焊接完成后应将焊缝及边缘打磨光滑，余高为0～2.5 mm。然后立即进行后热消氢处理，首先将预热装置安装在补焊部位，并将补焊部位的内外两侧用硅酸铝纤维保温棉覆盖，保温棉厚度不低于150 mm。后热消氢温度控制在200～250 ℃，保温时间为1 h。

（5）在焊接结束36 h 后进行焊缝的无损检测，检测包括磁粉探伤、超声波探伤、TOFD 探伤（返修深度超过3 mm）。所有检测均按NB/T 47013—2015《承压设备无损检测》的要求进行，且必须达到磁粉检测Ⅰ级合格，超声波探伤Ⅰ级合格，TOFD 探伤Ⅱ级合格。

2.4 焊后局部热处理

（1）焊后局部热处理的加热方法为电加热履带式加热器加热，设备采用吴江华力热处理设备WCK/ZWK 型智能温控箱，焊后热处理的加热范围，以焊缝中心为基准，在焊缝内侧铺设一块600 mm×350 mm 加热板，并在加热板及加热带以外100 mm范围内用硅酸铝纤维保温棉覆盖，保温棉厚度≥150 mm。

（2）焊后局部热处理工艺要求：加热速率：50～80 ℃/h；降温速率：30～50 ℃/h；保温温度：580±20 ℃，恒温130 min；当局部热处理工件冷却至室温后拆除加热板和热电偶。

3 结论

（1）液氨球罐裂纹产生的主要原因为球罐组装时的约束应力和焊接的残余应力在热处理时没有充分释放，在使用过程中液氨受空气污染，在应力较大的焊缝处发生应力腐蚀。

（2）在液氨中加入含量为0.2% 的水或100 μg/g 的冷冻机油或5 μg/g 的菜籽油或1O～50 μg/g 的硅油或一定量联氨，可抑制液氨引起的应力腐蚀。对于储存无水氨达99.95%的液氨球罐，充装前用氮气对球体内的空气进行置换，可减少在无水液氨环境下应力腐蚀的倾向。

（3）液氨球罐缺陷修复后，经复验合格，可正常使用。