丙烯球罐裂纹产生原因分析及解决措施

孙 睿

（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

2台球罐于2011年开始安装，2012年投入生产使用，盛装介质为丙烯，设计温度50℃，设计压力2.0 MPa，容积408 m3，主体材料为Q345R（正火），腐蚀余量为3 mm。在2019年9月、2020年6月进行内部检验时，采用UT+MT（即超声检测+磁粉检测）相结合的方式对球罐内部焊缝进行全面检测，球罐内部在上环焊缝及下环焊缝处发现表面裂纹。随即对裂纹进行打磨，在打磨过程中检测裂纹是否依然存在，在确认裂纹已清除后，利用焊接检验尺测量打磨深度，确认超出设计腐蚀余量的进行补焊处理，未达到补焊条件的进行打磨处理，形成圆滑过渡。

1 球罐裂纹的问题呈现

球罐内部的磁粉检测采用荧光磁粉进行检测，在上环焊缝及下焊缝发现近表面裂纹，裂纹位于焊缝下侧焊趾处，长度一般为20～100 mm，最长裂纹可达600 mm（图1、图2）。

图1 球罐表面裂纹

图2 丙烯球罐裂纹的长度

球罐内部呈现均为表面裂纹，且数量众多。以其中1台丙烯球罐633-B001A为例，需进行补焊处理共计36处（图3）。其中，上环焊缝共8处，已进行打磨处理，其中需补焊处约为4处，处理后长度最长75 mm，深度5 mm；下环焊缝缺陷需将焊趾下侧进行抛光后，采取荧光磁粉进行检测，已打磨处理缺陷成连续性呈现，几处缺陷间距小于最小缺陷长度。

图3 丙烯球罐表面裂纹分布

焊缝进行打磨处理，由于裂纹出现在母材与焊缝夹角处，在打磨完成后在焊缝与母材连接处形成一道沟壑。打磨处理的深度，如果超过设计的腐蚀余量，则依据TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》第8.5.4条要求处理：表面裂纹及凹坑，裂纹打磨后形成凹坑的深度，如果小于壁厚余量（壁厚余量=实测壁厚-名义厚度-腐蚀余量），则该凹坑允许存在。否则，将凹坑按照其外接矩形规则化为长轴长度、短轴长度及深度分别为2A（mm）、2B（mm）及C（mm）的半椭圆形凹坑，计算无量纲参数G0，如果G0＜0.10则该凹坑允许存在。经现场实际测量打磨后凹坑深度小于壁厚余量，检验机构要求对球罐进行补焊处理。

2 裂纹产生原因分析

球罐产生裂纹的原因主要有两个，分别是环境因素和力学因素。

2.1 环境因素

氢是产生焊接裂纹的主要因素，造成焊接冷裂纹的主要原因是焊接过程中母材金属吸附周围环境中的氢元素或母材中固有的氢元素所造成的。坡口表面的处理，焊接部位周边的锈蚀、水分、重皮或油污等，焊接时所选用的焊材型号及其干燥情况和施焊的母材的干燥条件，焊接作业时外界环境等都对氢元素有较大影响。现场施焊条件为露天作业，风速、气温、下雨等恶劣天气对焊接质量有一定影响，2台球形储罐的安装日期为2011年6月至9月，此时正值内蒙古夏季，空气湿度为全年最大值，不排除环境因素对裂纹产生的影响。

2.2 力学因素

（1）内力因素。施焊过程中存在强力组装，且先焊纵缝后焊环缝，环焊缝的应力过大。球形储罐的现场组装焊接过程其实是一个对球罐进行局部加热的过程，在过程中产生应力与应变的循环。球形储罐所采取的整体热处理方式在进行热处理时很难确保球形储罐各个部位所受的热处理温度统一，因此很大概率上会造成局部应力过大。

（2）外力因素。球罐在使用过程中，因操作压力波动、温度变化、储存介质腐蚀不平均等造成的局部应力过大。

从球罐外部发现，球罐的上下两级于赤道板之间存在大量的熔池过宽的焊缝，从而怀疑在球壳板制造过程中，上下极板存在球壳弧度超出偏差的现象。在安装过程中，为消除球壳弧度偏差对安装的影响，在熔池较宽的情况下进行施焊，在焊接过程中产生了大量热应力，在安装完成后的热处理中，未对较宽焊缝处进行专门热处理，未彻底消除热应力，在后续使用中相继产生表面裂纹。

在丙烯球罐内部检验时发现，球罐内部焊缝存在大量咬边后重新打磨并补焊的现象，而裂纹所在位置恰巧处于母材与裂纹的夹角处，从而分析球罐裂纹的产生是在球罐施工时球壳板与极板在焊口组对时，存在球壳板组对时焊口组装不到位，焊接时存在大量咬边现象，球罐内部可以清晰发现球罐内部环焊缝焊接后针对于咬口打磨及组焊接口的返修痕迹（图5、图6）。

图5 焊缝处咬边打磨痕迹

图6 焊缝返修痕迹

综上所述，分析球罐内部裂纹产生的直接原因是由于在组焊中熔池过宽从而产生的大量咬边造成，在球形储罐的后续使用中，由于盛装介质从而导致裂纹数量的进一步增多和劣化。

3 球罐裂纹修复措施

根据丙烯球罐内部缺陷的类型、所处的位置及其深度的不同，对已产生裂纹的焊缝位置首先采取气刨处理，随后打磨最后进行焊接修补方法。所有缺陷的焊接修复均经外观检查，TOFD（Time of Flight Diffraction，衍射时差法超声检测）探伤（修理总深度大于3 mm时）、超声波探伤合格后，才能确认焊缝修理合格。

具体修复顺序如下：缺陷修磨→修磨焊槽→磁粉检测→预热→缺陷焊补→后热→磁粉检测→超声检测或TOFD检测（修理总深度大于3 mm时）→局部热处理→气密试验。

修复过程中应严格控制焊接过程，具体控制措施为：

（1）作好焊接材料的进场工作，焊条采用低氢型J507RH，规格为Φ4.0焊条。焊接材料必须具有产品合格证和质量证明文件，并根据焊接材料的生产批次进行熔敷金属扩散氢含量复验。焊接材料在投入使用前必须进行烘干，烘干温度380～400℃、时间1 h。

（2）丙烯球罐内部搭设的用于检修作业的脚手架，应满足检修作业中各工序的顺利进行和施焊的环境要求，并由专人检测每天施工作业时的天气状况并记录，以便于在检修作业时及时采取措施。

（3）焊接过程中如果出现下雨、风速超过8 m/s、相对湿度在90%及以上（焊接环境的温度和相对湿度应在距球罐表面500～1000 mm处测得，每间隔2～4 h测量一次）等环境因素，不得进行施焊。

（4）施焊前应将磨槽表面和两侧至少20 mm范围内的油污、铁锈水分及其他有害杂质清除干净。横缝施焊时采用24～26 V的焊接电压、140～180 A的焊接电流、12～25 kJ/cm的焊接线能量。焊接完成后应将焊缝及边缘打磨光滑，经外观检查、磁粉探伤、TOFD探伤合格后，确认焊缝修理合格（图7、图8）。

图7 焊缝缺陷进行气刨处理

图8 荧光磁粉检测

4 丙烯球罐裂纹的预防措施

（1）球壳板的现场验收应符合相关规范，对球壳板的各部位弦长进行测量，采用弦长大于2 m的样板检查球壳板曲率，测量时样板应与球壳板保持垂直。沿各方向测量，每块板不少于5个测量点。采用0.2 mm粗细的钢丝进行球壳板对角线测量，两根钢丝的垂直距离偏差不得大于5 mm（表1）。需要注意的是，测量两条对角线时两条对角线应在同一个水平面上，如果两对角线不相交则说明球壳板四角不在同一平面内，则认为球壳板有翘曲存在。

表1 球壳板几何尺寸允许偏差

（2）球形储罐在焊接时应依据焊接工艺评定报告编制焊接工艺规程，并采用具有经验的焊工进行焊接，在焊接过程中焊工应均匀分布，先进行纵向焊缝焊接，再进行环向焊缝焊接，先焊接坡口深的一侧再焊接坡口浅的一侧，初道焊缝采用退焊法或跳焊法，焊接时采用相适的线能量。

（3）球罐在进行热处理时依照规范进行，测温点在球罐表面应均匀布置，相邻测温点间距小于4.5 m。测温点的总数应符合规定。在距上人孔、下人孔和球壳板环焊缝边缘0.2 m范围内各设置1个测温点，每块球壳板的焊接试件应设1个测温点。球罐焊后热处理完成后应进行热处理效果评定，效果评定内容主要包括产品试板力学性能试验报告和热处理工艺报告两部分。

5 结束语

球形储罐的裂纹产生有多种可能原因，在发现裂纹时应将其在第一时间进行处理，以免裂纹形成扩散到球罐整体，影响正常的使用和安全生产。丙烯球罐经修复后正常使用，荧光磁粉较黑磁粉可以更为有效地发现球罐内部存在的表面及近表面裂纹。