苗 源，喻 穎

(1.廣東省韶關(guān)市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，廣東 韶關(guān) 512023；2.湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院湘潭分院，湖南 湘潭 411000）

1.裂紋的發(fā)現(xiàn)

韶關(guān)鋼鐵集團(tuán)公司的1 000m3氧氣球形儲罐于2008年投入運(yùn)行，球罐內(nèi)徑12 300mm，采用赤道正切柱式支座，壁厚48mm，材質(zhì)15MnNbR，設(shè)計(jì)壓力3.0MPa，設(shè)計(jì)溫度-11～60℃。2011年，對該球罐進(jìn)行了安裝投用后的首次全面檢驗(yàn)。

本次檢驗(yàn)，針對球罐本體悍縫進(jìn)行了全面的無損檢測，包括：角焊縫100%磁粉探傷檢測、罐體對接焊縫內(nèi)外表面100%磁粉探傷檢測、本體對接焊縫100%超聲波探傷檢測、對接焊縫X射線抽查檢測等。球罐結(jié)構(gòu)如圖1所示。

經(jīng)檢測，共發(fā)現(xiàn)焊縫處存在30處內(nèi)、外表面裂紋。其中，7處為焊縫表面凹坑尖端處產(chǎn)生的裂紋(見圖2、圖3)。具體情況如下：上環(huán)縫內(nèi)表面裂紋3處，長度最大8mm，打磨深度小于1mm；上環(huán)縫外表面裂紋7處，最長15mm，打磨深度小于1mm；下環(huán)縫內(nèi)表面裂紋8處，其中4處打磨深度在3～7mm之間，其余深度小于1mm；下環(huán)縫外表面裂紋12處，其中5處打磨深度在3～7mm之間，其余深度小于1mm?？傮w來看，裂紋集中分布在赤道帶與上、下極板相接的上、下環(huán)焊縫上，以下極板相接的下環(huán)焊縫上裂紋數(shù)量較多，裂紋深度較大，裂紋延伸方向基本與焊縫平行。

圖2 焊縫表面凹坑處發(fā)現(xiàn)的裂紋

圖3 修磨過程中的裂紋

2.裂紋產(chǎn)生原因的分析

(1)安裝情況

球罐按JB4732-95《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、組焊、檢驗(yàn)與驗(yàn)收，由赤道板16塊，上下極帶板各7塊組成的混合式結(jié)構(gòu)形式，組裝時(shí)采用工卡具及定位斜鐵組裝固定，調(diào)整組對間隙和錯(cuò)邊量。球罐組裝程序?yàn)椋撼嗟腊濉蠘O邊板——上極中板——下極邊板——下極中板。主體焊縫的焊接采用帶裝方式進(jìn)行，即先焊縱縫，后焊環(huán)縫，先焊外縫(大坡口)，后焊內(nèi)縫(小坡口)，焊前預(yù)熱100～150℃，后熱200～250℃(30～60min)，焊后整體熱處理溫度560±20℃，保溫120min。

這種方式是球形儲罐安裝普遍采用的組裝及調(diào)整方式，由于球殼板尺寸存在形狀偏差，組裝時(shí)或多或少會進(jìn)行強(qiáng)力組裝。這種組裝方式縱縫的殘余應(yīng)力雖不大，但造成了環(huán)焊縫的組裝應(yīng)力過大，下極板與赤道帶相接的環(huán)焊縫屬于最后焊接區(qū)域，因此，更容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力。另外，安裝時(shí)球罐內(nèi)、外表面焊縫均經(jīng)打磨處理，但個(gè)別地方打磨深度不夠，存在凹坑，產(chǎn)生表面的不連續(xù)，在凹坑的尖端導(dǎo)致應(yīng)力集中，易引起開裂。

從安裝情況可以看出，該球罐內(nèi)外表面上裂紋的總體分布情況與該球罐的應(yīng)力分布情況基本一致。

(2)球殼板及焊材的材料特性、焊接工藝

該球罐球殼板采用48mm厚的15MnNbR材料，該球罐的球殼板由上海某壓力容器廠制造，所用鋼板由南京某鋼廠生產(chǎn)，其化學(xué)成份及機(jī)械性能見表1。

表1 球殼板的化學(xué)成份及機(jī)械性能

15MnNbR的碳當(dāng)量Ceq(對焊接產(chǎn)生冷裂紋傾向及脆化傾向的一種估算方法)計(jì)算如下：

一般認(rèn)為，當(dāng)碳當(dāng)量Ceq＜0.4%時(shí)，鋼材的淬硬傾向不明顯，焊接性能較好，Ceq＝0.4%～0.6%時(shí)，鋼材的淬硬傾向逐漸明顯，Ceq＞0.6%時(shí)，鋼材的淬硬傾向很強(qiáng)。同時(shí)，當(dāng)鋼板厚度增加時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度變大，焊后殘余應(yīng)力也增大，焊縫中心將出現(xiàn)三向拉應(yīng)力，此時(shí)實(shí)際碳當(dāng)量值將會降低。因該球罐鋼板厚度較大，所以，碳當(dāng)量為0.43時(shí)已具備明顯的淬硬傾向，施焊時(shí)應(yīng)采取預(yù)熱、后熱措施，嚴(yán)格按焊接規(guī)范來施焊。

該球罐組焊所用焊接材料是上海某公司生產(chǎn)的J557RH牌號焊條，型號E5515-G，規(guī)格φ4mm，是國內(nèi)與15MnNbR鋼配套研制的手工電弧焊焊條，其熔敷金屬化學(xué)成分及力學(xué)性能見表2。

表2 所用焊條的化學(xué)成份及力學(xué)性能

該焊條是低氫鈉型含鎳焊條，藥皮屬CaO-CaF2-SiO2渣系，焊接電流為直流反接，適用于全位置焊接。焊條藥皮中的水分可分為自由水、結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水。自由水與藥皮結(jié)合不牢，一般在100～200℃保溫一定時(shí)間即可去除，結(jié)晶水以中性水分子(H2O)的形式參與礦物的結(jié)晶構(gòu)造，并占有固定的位置，一般加熱200～500℃會失水，但失水并不完全充分。結(jié)構(gòu)水以H+、OH-、H3O+離子狀態(tài)加入礦物晶格構(gòu)造，這些離子在礦物晶格中占有一定位置，結(jié)合得比結(jié)晶水更加牢固，在焊條正常烘干溫度下難以除去結(jié)構(gòu)水，只有在600～1 000℃條件下，才能因晶格破壞而逸出。

在實(shí)際焊接時(shí)，結(jié)晶水與結(jié)構(gòu)水分解和蒸發(fā)后幾乎全部進(jìn)入電弧氣氛，是熔敷金屬中擴(kuò)散氫的主要來源。有試驗(yàn)表明，當(dāng)焊條烘焙溫度從350℃提高到450℃時(shí)，熔敷金屬擴(kuò)散氫含量明顯減少。對E5515-G型焊條，在350～450℃范圍內(nèi)提高烘焙溫度，去除焊條中結(jié)晶水的效果比較明顯，是降低焊接接頭的擴(kuò)散氫含量、降低焊接接頭氫致裂紋敏感性的有效途徑。

該球罐現(xiàn)場施焊是在4～5月份進(jìn)行的，露天作業(yè)，當(dāng)?shù)赜晁^多，空氣濕度較大，而濕度、溫度、風(fēng)速、雨水等天氣狀況對焊接質(zhì)量都影響較大，施焊過程中空氣中的水分易進(jìn)入電弧氣氛，增加了熔敷金屬中擴(kuò)散氫的含量。焊條烘干溫度350～400℃，對焊條中的結(jié)晶水去除不夠，也給熔敷金屬中帶來了擴(kuò)散氫。焊接時(shí)雖然也采取了預(yù)熱及后熱工藝，但由于采用的是火焰加熱方式，火苗的下方不易加熱，加熱溫度難以保證，且加熱溫度不均勻，焊縫熔敷金屬中的氫不能充分逸出，導(dǎo)致焊縫中氫含量較高。

另外，球殼板為48mm厚的15MnNbR鋼板，剛性拘束較大，具備一定的淬硬傾向，是裂紋敏感性材料，本身具有一定的延遲裂紋傾向。

經(jīng)以上分析可以確定，在該球罐內(nèi)、外表面所發(fā)現(xiàn)的裂紋是在應(yīng)力引導(dǎo)下，使熔敷金屬中的擴(kuò)散氫在夾雜物與缺陷處聚集而形成的成排小裂紋沿著垂直于應(yīng)力的方向發(fā)展而形成的裂紋，屬于應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂(SOHIC)，它是屬于延遲裂紋的一種。

3.裂紋的修復(fù)及效果驗(yàn)證

在辦理維修告知后，由球罐安裝單位對球罐進(jìn)行返修。

返修前，對磁粉檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)的表面裂紋進(jìn)行打磨消除，打磨消除裂紋及凹坑后剩余厚度小于設(shè)計(jì)厚度的部位進(jìn)行補(bǔ)焊返修。先對缺陷去除部位進(jìn)行磁粉檢測，確認(rèn)缺陷已完全去除，補(bǔ)焊嚴(yán)格按焊縫返修焊接工藝進(jìn)行，采用J557RH焊條，嚴(yán)格控制焊接預(yù)熱溫度和后熱溫度及時(shí)間，防止裂紋的產(chǎn)生，達(dá)到去氫、消除應(yīng)力和避免出現(xiàn)淬硬組織的目的，焊條烘干溫度達(dá)到450℃，補(bǔ)焊后焊縫表面打磨光滑，并要求對修復(fù)部位進(jìn)行表面磁粉檢測，對補(bǔ)焊深度超過3mm處進(jìn)行射線檢測，應(yīng)合格。

無損檢測合格后再進(jìn)行局部熱處理，采用電阻絲陶瓷加熱器加熱的方法，加熱帶寬度為壁厚的5倍，再用50mm厚的硅酸鋁纖維針刺毯包裹于加熱器外進(jìn)行保溫，兩邊至少比加熱帶寬200mm左右，使溫度梯度不至影響材料的組織和性能，加熱至540～580℃保溫120min。修復(fù)、熱處理后對補(bǔ)焊部位及熱處理溫度波及到的部位再經(jīng)磁粉檢測，未發(fā)現(xiàn)裂紋產(chǎn)生，證明補(bǔ)焊返修合格。

另外，對球罐宏觀檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的凹坑及尖銳傷痕(這些缺陷無需補(bǔ)焊)進(jìn)行修磨并圓滑過度，使修磨范圍內(nèi)的斜度不小于1∶3，以減少凹坑及傷痕處的應(yīng)力集中水平，減少今后球罐使用中裂紋產(chǎn)生的可能性。

[1]GB 713-2008 鍋爐和壓力容器用鋼板[S].

[2]JB 4732-1995 鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn).[S].

[3]TSG R0004-2009 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

[4]TSG R7001-2004 壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則[S].

[5]NB/T 47015-2011 壓力容器焊接規(guī)程[S].