3 000 m³丙烯球形储罐焊缝裂纹原因分析与预防措施

3 000 m³丙烯球形储罐焊缝裂纹原因分析与预防措施 3 3 Cause Analysis and Preventive Measures of Weld Crack of 3 000 m Propylene Spherical Storage Tank 1 first-author 陈旭杰（1995—），男，本科，主要从事承压类特种设备无损检测研究工作。 陈旭杰（1995—），男，本科，主要从事承压类特种设备无损检测研究工作。 2 corresp 郑　磊（1982—），男，硕士，主要从事无损检测新技术研究与应用工作。 郑　磊（1982—），男，硕士，主要从事无损检测新技术研究与应用工作。 1 1 2 1 1 宁波市劳动安全技术服务有限公司,浙江 宁波 315048 宁波市劳动安全技术服务有限公司,浙江 宁波 315048 Ningbo Labor Safety and Technology Services Co., Ltd., Ningbo 315048, China Ningbo Labor Safety and Technology Services Co., Ltd., Ningbo 315048, China 宁波市特种设备检验研究院,浙江 宁波 315048 宁波市特种设备检验研究院,浙江 宁波 315048 Ningbo Special Equipment Inspection and Research Institute, Ningbo 315048, China Ningbo Special Equipment Inspection and Research Institute, Ningbo 315048, China 在某大型化工企业球罐群定期检验期间，发现一台3 000 m³丙烯球罐内外表面存在大量焊缝裂纹，分类统计裂纹出现的位置和类别，分析典型裂纹缺陷形貌。总结出焊接技术水平欠佳、现场热处理未达到规范要求、焊接残余应力是导致球罐开裂的主要原因，并给出了具有针对性的处理建议及预防措施。在球罐制造过程中严格控制球壳板原材料质量和制造质量，把控焊接过程质量和焊后焊缝无损检测质量，在定期检验过程中重点关注上、下级环焊缝，可采用UT+TOFD的方法进行焊缝检测。 During the regular inspection of spherical tanks in a large chemical enterprise, there are a lot of weld cracks on the internal and external surfaces of the 3 000 m³ propylene spherical tank. The cracks are found classified and counted according to the location and category, and the appearance of typical crack defects are analyzed. The causes of weld cracks are analyzed in depth, and the five major causes of weld cracks on the spherical tank are summarized, The targeted treatment suggestions, precautions for the construction, installation and regular inspection of spherical tanks in the future and preventive measures to avoid weld crack are given. The results show that poor welding technology, on-site heat treatment not meeting the specification requirements, and welding residual stress are the main causes of spherical tank cracking. During the manufacturing process of spherical tank, the quality of raw materials and manufacturing quality of spherical shell plate shall be strictly controlled, and the quality of welding process and non-destructive testing of welds after welding shall be controlled. In the regular inspection process, the upper and lower circumferential welds shall be focused on. The method of UT+TOFD can be used for weld testing. 球罐储罐 对接焊缝 裂纹 定期检验 上、下级环焊缝 spherical tank butt weld crack periodic inspection upper and lower circumferential welds 前言 1 丙烯作为三大合成材料的基本原料之一，在国内的需求量较大，且需求量逐年稳定增长。石化企业通常采用球形储罐来存储丙烯，相比同体积的圆筒形容器，球罐钢板使用量少，建造性价高。Q370R钢板属于国产中低温压力容器钢板，凭借其优良的综合特性及经济性，在石化行业中常被用作球罐材料。本文对某化工企业一台3 000 m³丙烯球罐间隔６年进行两次开罐检验，发现从上次定期检验之后到本次检验周期内，焊缝内外表面存在大量裂纹，分析裂纹成因并提出预防措施，为今后此类球罐的定期检验提供一定的技术支持。 检验概况 1 2015年8月，对某丙烯球罐进行首次开罐检验。其主要技术参数如 表1 表1 所示，经磁粉检测共发现内表面裂纹59条，长度8~30 mm，外表面磁粉检测共发现101条裂纹，长度5~240 mm，其中64条为扩检时发现的裂纹。 设计日期 产品标准 制造日期 投入使用日期 首次检验日期 主体结构型式 支座型式 安装型式 2011.09 GB 12337—1998 2012.12 2013.02 2015.08 单层 赤道正切 球形储罐 容积/m³ 容器内径/m 设计压力/MPa 设计温度/℃ 工作压力/MPa 工作温度/℃ 腐蚀裕度/mm 材质 厚度/mm 3 000 18 2.2 -19~50 ≤1.94 ≤50 1.5 Q370R 50 2021年9月，对该球罐进行第二次开罐全面检验。检验方案具体如下：资料审查、宏观检验、超声测厚、磁粉（MT）检测（对接焊缝：内表面100%+外表面40%；柱腿与球罐连接焊缝：100%）、渗透检测、40%UT检测（脉冲反射法超声检测）、20%TOFD检测（衍射时差法超声检测）等，球罐外展开图见 图1 图1 。 1,2,3; 缺陷分析 1 缺陷统计 2 球罐第二次开罐全面检测结果汇总如下：（1）MT、UT发现此球罐焊缝共存在177处表面裂纹，详细情况见 表2 表2 ；（2）UT、TOFD发现48处埋藏缺陷，大多数缺陷性质为气孔、夹渣，深度为22~30 mm，自身高度为1~2.5 mm，经判断均在NB/T 47013—2015标准允许范围内，可不返修处理。 裂纹所在焊缝部位 内外表面 横向裂纹/处 长度/mm 纵向裂纹/处 长度/mm 群裂纹/长裂纹（≥50 mm）/处 长度/mm 小计/处 上级拼缝E2-E4 5 外表面 — — 12 10~15 — — 12 上级环缝FA — — 78 10~30 19 70~600 97 下级环缝AG 3 15~20 24 10~35 2 100~110 29 下级拼缝D2、D4 5 25~35 5 10~15 — — 10 小计 8 — 119 — 21 — 148 上级拼缝E4 5 内表面 1 8 — — — — 1 上级环缝FA 6 24~35 2 10~12 3 60~800 11 下级环缝AG 1 15 8 10~40 — — 9 下级拼缝D3-D4 1 15 7 15~40 — — 8 小计 9 — 17 — 3 — 29 合计 17 — 136 — 24 — 177 分析 表2 表2 数据：（1）外表面裂纹数量占比较大，其中外表面148处，内表面29处；（2）纵向裂纹占比较大，共计136处，约占所有缺陷数量的77%，横向裂纹17处，群裂纹24处；（3）上极环缝FA质量最差，存在裂纹数量最多，外表面有97处，内表面11处，共108处，占所有缺陷数量的61%；（4）环缝裂纹占比较大，上下级环缝FA、AG的裂纹数量为146处，占所有缺陷数量的82.5%；（5）拼缝相对而言裂纹较少，20条拼缝中只有8条存在裂纹，合格率达60%，此8条拼缝上裂纹共计31处，其中纵向裂纹占比20%，长度最长为40 mm；（6）纵缝情况最好，未发现存在裂纹缺陷。 缺陷种类与形貌 2 裂纹是对球罐安全运行影响最大的一类缺陷，球罐焊缝裂纹的分类方法有很多种，如按照尺寸大小、产生部位、裂纹扩展方向、环境和介质的影响。以下三种裂纹对球罐的安全性影响最大：（1）制造遗留裂纹。一般分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹；（2）应力腐蚀裂纹。一旦球罐的使用工况满足应力腐蚀三要素时，即焊缝承受拉应力、与球罐材料相匹配的特定腐蚀环境以及敏感的金属材料，极易产生应力腐蚀裂纹，这种裂纹隐蔽性强，危害性巨大，会产生脆性断裂；（3）疲劳裂纹。球罐在使用过程中，由于介质的充装以及长期的脉动应力都会导致载荷不断变化，进而产生疲劳损伤，形成疲劳裂纹。典型缺陷形貌如 图2 图2 所示，主要分为纵向裂纹、横向裂纹、群裂。 1,2,3;4; 横向裂纹检测 2 由于横向裂纹的超声检测难度通常高于纵向裂纹，故在此针对本球罐的某条横向裂纹，对其检测技术进行特别说明，以提高横向裂纹检出率。依据标准NB/T47013.3-2015，选择2.5Z10×16K2型普通超声探头，基准灵敏度设定为 <math id="M1"><mi>ϕ</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=35109001&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=35108999&type= 1.94733346 3.38666677 2×60-14 dB，扫查灵敏度在此基础上增加6 dB，采用斜平行扫查方法，分别在 图3 图3 中的1、2、3、4四个位置放置探头进行扫查，仪器上清晰地显示了裂纹缺陷波。在探头位置1、3、4处，深度显示为3.4~7.6 mm；在探头位置1处检测时，波幅最高，为SL+10.7 dB，达到Ⅲ区，深度显示为8.5 mm，具体见 图4 图4 ，后经返修单位现场打磨，此裂纹深达9 mm。 1;2;3;4; 缺陷成因分析 1 （1）球罐在制造安装焊接过程中，通常存在焊工技术欠佳、焊接工艺问题、不严格按照工艺焊接和现场环境较恶劣等因素，造成焊缝中溶解一定的氢气或残余应力集中，特别是在上下级环缝FA、AG处，且球罐的组装遵循以下顺序：赤道带→下极带→上极带，这两道环焊缝在最后组装，应力比较集中，再加上安装及焊接工艺不当等不利因素，最终导致裂纹源产生。 （2）球罐的焊后热处理未达到预期要求。球罐的焊后热处理工艺依据GB 12337—2014《钢制球形储罐》进行，热处理工艺主要包括：焊后热处理温度应控制在（580±20） ℃；热处理恒温时间按板厚每25 mm恒温1 h计算，不得小于1 h；升温至400 ℃以上时，升温速度严格控制为50~80 ℃/h；400 ℃以上降温时，降温速度严格控制为30~50 ℃/h；在400 ℃以上升温和降温时，任意两点的温差不大于130 ℃。虽然焊缝残余应力不能完全消除，但可通过焊后热处理来有效降低。然而在现场热处理过程中，施工单位通常对于热处理技术规范执行不到位，这就容易导致热处理温度或时间未达到规定要求，最终导致热处理不充分。 （3）现场组焊时，纵向焊缝采用立焊，环向焊缝采用横焊，焊接位置的不同会导致焊缝性能存在差异。采用横焊时焊道宽窄不一，对焊接过程控制要求较高，一旦操作存在失误，就会出现熔化金属滴落或者熔深不够造成未焊透。综上所述，环向焊缝的焊接难度大于纵向焊缝，所以在球罐的现场组焊过程中，一般环向焊缝的缺陷数量多于纵向焊缝。 （4）环向焊缝的焊接线能量较小，焊接线能量=（电流×电压）/焊接速度。在（电流×电压）不变时，焊接线能量的大小和焊接速度成反比，现场组焊时，环焊缝的焊接速度大，焊接线能量小，所以冷却速度大，一旦冷却速度大于临界冷却速度，就会诱发马氏体转变，而马氏体组织缺口的敏感性、淬硬性大、硬度大，在应力作用下易产生裂纹，因此环向焊缝的裂纹数量明显多于纵向焊缝。 （5）焊接过程中的热分布不均匀，残余应力的存在是产生裂纹的重要原因之一，焊接时焊缝高温区的加热膨胀受到低温区的约束，会使高温区产生塑性变形；冷却时高温区的金属收缩受到限制，会受到低温区的拉伸作用，这就产生了一个与加热过程热应力方向相反的力，即残余应力。环向焊缝的长度一般较长，其焊接时间就更长，受热影响就越大，残余应力也就越大。 缺陷处理 1 缺陷处理的思路如下：（1）应由具有相关资质的返修单位进行，按照TSG 07-2019的要求，返修单位需持有A3级资质；（2）严格执行球罐有关规程和技术规范，一般按GB 12337—2014进行；（3）大多数裂纹深度为0.5~3 mm，需打磨消除并做圆滑过渡处理，对于深度较大的裂纹还需进行补焊；（4）其他埋藏缺陷经打磨消除后补焊，然后采用UT、TOFD复验合格，再经局部热处理、水压试验、磁粉检测。 预防措施 1 建造安装方面 2 （1）选择满足安全使用条件的钢材。 （2）严格控制球壳板原材料质量，主要包括钢板的厚度、化学成分、力学性能，同时锻件、焊材均要高于技术标准要求。 （3）严格控制球壳板制造质量，主要包括：下料精度、球壳板圆弧度、几何尺寸、曲率、坡口尺寸等，几何偏差要高于标准要求，上述指标控制得越好，焊接质量便会越高。 （4）严格控制焊接过程质量。选择持有焊接证书、有焊接经验并掌握此钢种焊接要领的焊工，在准确位置安装预热器，均匀预热至合适温度，应严格按照焊接工艺执行：焊接电流、焊接电压、焊接线能量选用标准推荐值，同时焊接材料的选用也要严格遵循标准，并关注其是否在有效期内，选择合适的施焊退焊法，每一层焊接结束时必须要彻底清除焊渣并检查，发现表面缺陷、焊瘤等及时打磨干净。 （5）焊接完成后检查焊缝表面有无缺陷、熔渣或飞溅物，焊缝成形是否符合要求，否则必须打磨消除整改直至合格。 （6）焊接结束后按相关标准进行无损检测，严格按热处理工艺规范进行热处理，最后进行水压、气密性试验，企业在球罐使用过程中应严格控制工作压力、工作温度，不得违规操作、超标运行。 定期检验方面 2 （1）本次检验中发现的缺陷主要为表面裂纹，集中在内外表面的上下级环焊缝上，因此在检验方案实施的重点部位在上、下级环焊缝，特别关注内外表面缺陷。 （2）在埋藏缺陷方面，对于此种厚度的球罐，采用UT+TOFD相结合的检测方法较为适合，检出率高、可靠性强，不仅定位准确，在实际应用中定性准确率也较高。 （3）如果返修过程中出现裂纹在打磨时发生扩展，这说明该材料对裂纹的敏感性很强，返修难度较大，因此要严格控制返修的次数和深度，返修方案应经过严格审查以确保返修质量。 结论 1 （1）球罐在制造安装焊接过程中，焊工未严格按照焊接工艺进行焊接，球罐的焊后热处理未达到预期要求，环向焊缝的焊接难度大于纵向焊缝，环向焊缝的焊接线能量较小，焊接速度大，冷却速度大，焊接过程中热分布的不均匀性，这几点是导致球罐焊缝开裂，且环向焊缝缺陷数量较多的原因。 （2）在球罐建造安装阶段，严把球壳板原材料和制造质量，严格按照经焊接工艺评定的工艺进行现场组焊，焊接结束后按相关标准进行无损检测，满足以上几点可以消除制造阶段的焊缝裂纹；在定期检验阶段，应重点关注球罐焊缝的薄弱部位，例如上、下级环焊缝，重点关注内外表面缺陷，同时注重返修的次数和深度。 参考文献 金学峰 ， 邵冬冬 ， 尹建斌 . 液化气球罐的裂纹成因分析及安全使用建议 ［J］. 中国特种设备安全 ， 2017 ， 33 （ 08 ）： 68 - 71 . 液化气球罐的裂纹成因分析及安全使用建议 Jin Xuefeng ， Shao Dongdong ， Yin Jianbin . 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