1、在役氢气球罐的裂纹分析及修复摘要：燃气区 一台 400 m3 氢气球罐，运行三年后首次检验发现有不同程度的裂纹，为此从球罐组装、焊接、材质、机械损伤、应力腐蚀这五个方面分析了球罐裂纹产生的主要因素；针对球罐的具体情况，又从焊缝表面缺陷和内部缺陷的清除、修复、热处理及防腐等方面提出了修复和预防措施。 实践证明，修复和预防措施有效可靠，保证了球罐的安全运行。 关键词： 球罐裂纹分析修复措施 中图分类号：TG21+3 文献标识码： A 1.0 球罐概况 焦炉煤气制氢装置氢气球罐 B532 由中冶天工结构容器分公司按 GB12337 和 GB150 规范设计，球壳板材为 Q345R，由中冶天工钢构容器
2、分公司压制成球片，2009 年由中冶天工钢构容器分公司现场组装，2009 年末投用。2012 年经检验机构进行了首次开罐检验，发现裂纹共 20 处裂纹39 条，其中单个裂纹最长 10 mm，最深 6.2 mm。2013 年再次开罐检验未发现新生缺陷。球罐技术参数如下： 容器类别： 设计压力：2.0MPa 设计温度:50 介质：氢气 材质：Q345R 容积 400m3 板厚：30mm 焊条：J507 1.1 首次开罐检验情况 该球罐投用三年后首次开罐检验情况如下：表面缺陷采用磁粉检测、埋藏缺陷采用超声波检测。内外表面对接焊缝 100磁粉探伤，共发现20 处 39 条裂纹超标缺陷，经打磨消除。其中
3、 12 处 (深度小于 3mm)，无需补焊，其余 8 处打磨深度超过 3mm(深度为 36.2mm), 补焊返修由球罐原制造安装单位实施，对返修后的位置采用局部热处理，复探合格。 球壳板焊缝排版示意见图 1， 图 1 球壳板焊缝排版示意 首次检验出现的缺陷位置基本都集中在 BC 焊缝 (即北温带与赤道带的环焊缝)及焊缝热影响区， 裂纹大部分为横向裂纹，与焊缝垂直。裂纹集中出现在球罐的同一焊缝部位，说明该条焊缝自现场安装以来一直存在某种诱发裂纹的倾向。具体数据见表 1 检验发现的裂纹位置、大小及打磨深度表。 表 1 检验发现的裂纹位置、大小及打磨深度表 2.0 导致球罐裂纹的因素分析 球罐从安装
4、到使用产生裂纹的主要几个因素： 2.1 组装因素 球罐在组装过程中，若各种尺寸达不到规范要求而进行强力组装，就会产生约束应力，焊后应力无法释放，会产生裂纹。该球罐由赤道带和南北温带及南北两极组成，其中赤道带有 12 块球壳板，南北温带各有4 块球壳板，南北极各有 3 块球壳板，共 26 块球壳板组焊而成。该罐安装 时采取分带组装法，即先将赤道带、南温带与南极板、北温带与北极板各自在地面上组焊成三大组件，然后将赤道带组件吊装、焊接在 6 根支腿上，再吊装南温带与南极板组件与赤道带焊接，最后吊装北温带与北极板组件与赤道带焊接。北温带板与赤道带之间的环焊缝的焊接成为整个球罐的最后一道焊缝。这种组焊方
5、法对各条纵焊缝的焊接质量非常有利，但容易出现北温带板与赤道带的强力组对，在这条环焊缝位置会产生极大的约束力，该球罐经宏观检验发现该处焊缝部位错边量达 2-3mm，棱角度达 8mm，对于 Q345R 低合金钢板材容易导致焊缝的残余应力非常高。该处环焊缝在组装完成后便存在着内应力和结构应力，这种应力在焊后整体热处理完成后也难以完全消除。所以导致裂纹几乎全部集中在北温带与赤道带之间的环焊缝及焊缝热影响区。 2.2 焊接因素 焊接形成的小缺陷，如表面气孔、弧坑、裂纹等，容易产生微裂纹，在球罐加压使用时裂纹容易扩张；焊接次序的不合理，导致球壳内的应力不能最大限度地释放，而后的残余应力很大，容易形成冷裂纹
6、、热裂纹；球罐焊接采用的焊接方法、焊接线能量的大小、焊接的预热及后热等不当，也容易使球罐产生裂纹。 2.3 材质因素 氢含量的增加，使材料脆性升高，硬度增加，导致韧性下降，扩散氢量对冷裂纹的产生和扩展起了一定作用，在含氢量较高，而预热温度不足的情况下，会产生裂纹；合金元素对热裂纹中的结晶裂纹产生有很大影响，硫、磷的微量存在也都会增大产生结晶裂纹的倾向。 2.4 机械损伤因素 球罐组对时临时焊接的工夹具部位，其硬度高于其他部位，其残余应力也较高，容易产生裂纹。球罐板在运输、压制、组装过程中的碰伤等部位也是容易产生裂纹的地方。 2.5 应力腐蚀因素 球罐使用过程中，造成裂纹的外因素主要有两个：高应
7、力和介质氢H2。高应力包括：罐体运行中的工作应力和罐体焊接结构的残余应力。 由于 H2 所提供的H 源，在罐体内表面产生腐蚀坑与氢致脆化层，随着腐蚀坑的加深及脆化层厚度的增加，在应力的共同作用下，蚀坑底部和边缘将首先形成微裂纹，在微裂纹前端将形成应力集中，在应力诱导下，氢将向裂纹前端的应力集中区扩散，当此部位氢的浓度达到临界值时，在应力的作用下，就会发生启裂和微裂的相应扩展。而后，氢又不断向新的高应力集中区扩散，这种过程可周而复始地进行，直至成为裂纹。另外，在裂纹向纵向扩展的同时，伸向母材厚度方向的裂纹尖端在应力集中、电化学腐蚀的共同作用下，不断向母材厚度方向扩展延伸，造成应力腐蚀开裂。此类裂
8、纹特点为裂纹分布位置不规则。从球罐裂纹的形状和性质也验证了裂纹产生的主要原因为应力腐蚀产生。 3.0 球罐裂纹修复措施 据检验机构的检验报告缺陷分布图，结合缺陷的位置和性质，经分析认为球罐的焊后热处理效果不理想，焊接残余应力没有完全释放，导致了焊缝裂纹的出现；另外，工作介质所造成的应力腐蚀导致了焊缝及热影响区不规则裂纹的出现。针对球罐的具体情况制定了如下修复措施：3.1 裂纹消除技术要求： 打磨对于深度不超过规定要求 (一般不超过 3mm)的表面裂纹，由检验单位负责打磨消除，并对尖端和边角进行打磨圆滑过度斜率不小于1：4，打磨后经磁粉检测合格。对于深度超过规定要求的表面裂纹和超标埋藏缺陷进行返
9、修处理。首先要利用超声、磁粉确定缺陷的性质、位置，并针对性制定修复方案。对于表面裂纹采用砂轮机打磨清除缺陷，在打磨过程中注意观察缺陷是否全部打磨干净经磁粉检测确认，对于埋藏缺陷先用超声波探伤定位的缺陷的深度，确定从外表面还是内表面进行挖补，在炭弧气刨或砂轮打磨到一定深度后进行着色检查确认缺陷是否消除。特别在缺陷两端要打磨平整圆滑，避免裂纹的继续扩展，且打磨的长度不能小于 50mm。打磨深度以缺陷消除为准，该罐打磨深度不能超过 15mm。对于埋藏缺陷必须根据超声定位其距离内外表面的深度，以确定从哪一侧进行打磨，经打磨、MT 检测合格后才能进行焊接。 32 补焊技术要求 Q345R 属低合金钢，该
10、钢材的淬硬倾向较大，一方面马氏体转变时温度下降太快，另一方面热敏感区温度下降太慢导致过热 区出现脆化。为保证焊接质量，焊接工艺制定的原则是使焊缝处于高温时间较短，随后冷却速度较慢。反映到焊接工艺上则为：采用小的焊接线能量、快速多道焊、焊前低温预热等措施，以期获得均匀的低碳回火马氏体组织，确保焊缝的低温韧性。安装使用的焊条为 E5015(TL 一 507) 焊条直径(4.0 mm)，返修仍采用该型号焊条，采购的焊条必须具有质量证明书。因为该焊条已经存储一段时间，需要检查其药皮含水量等表观质量，另外还要进行实际扩散氢的检测 (氢含量应不大于 4ml/100g)。对于焊条要严格干燥和保温。焊接电流控
11、制在 100140 A，电压 2325V，焊接速度 811 cmmin。返修过程的焊接与球罐建造时的焊接工艺基本相同，焊前需要氧气、乙炔进行预热，预热范围至少以焊缝为中心每侧 100mm 以上，预热温度控制在 100120。焊接线能量控制在合适的范围内(2025 kJcm)。修补焊层必须在两层以上，采用多道多层焊接以便控制线 能量。焊接修补后使用氧气、乙炔立即进行后热处理，后热温度控制在250左右，保温约 1 小时。焊后后热使扩散氢有充分 的时间溢出，同时还可以降低残余应力，减少冷裂纹产生的机率。 33 热处理技术要求 热处理包括焊前预热、层间加热、焊后后热及球罐的整体热处理。焊前预热可以有效
12、防止冷裂纹，消除应力，焊前预热主要采用火焰加热，加热温度应严格控制在 75 125 。施焊时层间温度须大于预热温度的下限值。后热主要是消氢，同时也能韧化热影响区和焊缝的组织，对防止冷裂纹非常有效，后热温度宜控制在 200250，时间在 2h 左右。局部热处采用电加热法，其目的主要是消除应力，从而降低冷裂、脆断的倾向，同时也降低 SCC 的倾向和改善接头的组织。 针对球罐的具体情况，采用电加热法进行局部热处，制定热处理工艺。热处理的温度应控制在 625 25，恒温 1.2 h。加热时，300 以下不控制，300以上时升温速度控制在 50 80/h。降温时，300 以上降温速度控制在 30 50
13、/h，300 以下自然冷却。 为彻底消除该条焊缝热影响区继续产生大量裂纹的趋势，除了局部返修外，对集中出现裂纹的 BC 环焊缝进行整体热处理，以改善该条焊缝的组织性能、降低硬度、提高材料韧性、消除应力集中，达到降低产生裂纹的敏感性的目的。热处理方式采用单面加电阻加热片，双面保温的方式进行，以焊缝为中心对称安装 1 条宽度 260mm 的加热带，覆盖整条焊缝。用硅酸铝保温棉进行双面保温，宽度为 1200 mm。对应布 18 支热 电偶进行测温，热电偶需放置在焊缝，用保温棉盖住热电偶端头。对热处理前后硬度进行了测量，对比同一位置的硬度值见表 3。 从表 2 可看出，热处理后焊缝、热影响区、母材的硬
14、度值均有下降。说明热处理有效改善了热影响区的淬硬性，能够极大程度地抑制裂纹的继续产生。 表 2 热处理前后硬 度(HB)对比 3.4 应力腐蚀预防措施 根据球罐的工作介质特性，对热处理后的球罐内壁喷涂两道铝粉，防止介质在罐体内表面产生腐蚀坑和氢致脆化层，从而避免应力腐蚀裂纹的再生成。 4 结语 氢气球罐在刚投入运行就产生如此多的裂纹,且裂纹走向大多为横向,表明制造时 BC 焊缝残余应力过大,又与使用介质产生效应发展为应力腐蚀。通过这两次全面检验，对 BC 焊缝裂纹进行返修并进行了有效整体热处理,达到了抑制裂纹再次产生的效果。本台氢气球罐经以上措施修复后，在运行一年后的开罐比照检验检查中，没有发现新的裂纹出现，证明修复措施和预防措施可靠有效，确保了球罐的安全运行。 作者简介：李转运 高级工程师，1993 年毕业于郑州工学院化工机械专业，现从事特种设备管理工作。宋佳，助工，2010 年毕业于河北工业大学机械设计与自动化专业，现从事特种设备管理工作。
