周 楊，王 勇，王 希，柏明清

（中國石油獨(dú)山子石化公司研究院，新疆 獨(dú)山子 833600）

1.概述

某400m3儲(chǔ)氧球罐，2006年5月制造完成，于2007年在某車間做備用罐，根據(jù)TSG R7001-2004《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》(以下簡稱《容檢規(guī)》)2010年5月對(duì)其進(jìn)行首次全面檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)多處超標(biāo)缺陷。球罐基本參數(shù)如表1所示。

表1 球罐基本參數(shù)

2.檢驗(yàn)

依據(jù)《容檢規(guī)》壓力容器定期檢驗(yàn)的相關(guān)要求，全面檢驗(yàn)方法包括宏觀檢查、壁厚及硬度測(cè)試、無損檢測(cè)。檢驗(yàn)結(jié)果如下。

(1)宏觀檢查

對(duì)球罐外觀、結(jié)構(gòu)、幾何尺寸及焊縫檢查均合格，在對(duì)球罐立柱的垂直度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中1根立柱超標(biāo)。GB12337-1998《鋼制球形儲(chǔ)罐》 中規(guī)定，當(dāng)立柱高度≤8 000mm時(shí)，立柱垂直度上下偏差應(yīng)≤10mm。根據(jù)該要求，其余立柱垂直度父均合格。下次全面檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)對(duì)垂直度超標(biāo)的立柱進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)，觀察立柱垂直度上下偏差是否發(fā)展，以確定球罐的安全使用性能。

(2)壁厚及硬度測(cè)試

對(duì)該球罐內(nèi)表面焊縫附近母材進(jìn)行壁厚測(cè)試，實(shí)測(cè)最小壁厚值為55.38mm，壁厚合格。

硬度檢測(cè)的主要目的是評(píng)價(jià)熱處理的效果。抽取兩處焊接接頭分別對(duì)母材、熱影響區(qū)及焊縫進(jìn)行硬度檢測(cè)，兩處硬度值均符合材料標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)無損檢測(cè)

①磁粉檢測(cè)(MT)

球罐表面及近表面裂紋決定了球罐是否能安全運(yùn)行，因此表面及近表面裂紋檢測(cè)就顯得十分重要。對(duì)該球罐內(nèi)表面焊縫及球罐外立柱角焊縫進(jìn)行表面檢測(cè)，內(nèi)表面進(jìn)行熒光磁粉檢測(cè)，罐外立柱角焊縫用黑磁粉檢測(cè)，由于立柱角焊縫某些地方磁粉檢測(cè)無法操作，為達(dá)到100%檢測(cè)比例，在磁粉檢測(cè)無法操作的部位進(jìn)行滲透檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果未發(fā)現(xiàn)缺陷。

②超聲波檢測(cè)(UT)

埋藏缺陷有可能發(fā)展成活動(dòng)性缺陷，超聲波檢測(cè)能精確檢出埋藏缺陷，并能顯示埋藏缺陷的位置及尺寸。依據(jù)檢驗(yàn)方案對(duì)該球罐內(nèi)表面焊縫進(jìn)行了比例大于50%的超聲波檢測(cè)，如圖1所示。因發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，將檢驗(yàn)比例擴(kuò)大為100%，共發(fā)現(xiàn)11處超標(biāo)缺陷，最嚴(yán)重缺陷長度為85mm，缺陷自身高度最大3.0mm。缺陷檢測(cè)結(jié)果見表2。

圖1 儲(chǔ)氧球罐內(nèi)表面超聲波檢測(cè)缺陷部位示意圖

③射線檢測(cè)（RT）

用射線檢測(cè)對(duì)超聲波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的超標(biāo)缺陷進(jìn)行驗(yàn)證以確定缺陷性質(zhì)，11處超標(biāo)缺陷均為未熔合。

(4)返修前安全狀況等級(jí)評(píng)定

壓力容器的檢驗(yàn)結(jié)果綜合評(píng)定，以其中等級(jí)最低者，作為評(píng)定級(jí)別。在《容檢規(guī)》中，對(duì)一般壓力容器非圓形缺陷與相應(yīng)的安全狀況等級(jí)有明確規(guī)定。該球罐的11處超標(biāo)缺陷均屬于未熔合，且其中有5處缺陷自身高度超過2mm，對(duì)照《容檢規(guī)》中一般壓力容器非圓形缺陷與相應(yīng)的安全狀況等級(jí)表，將該儲(chǔ)氧球罐安全狀況等級(jí)評(píng)定為4級(jí)，為了保證安全運(yùn)行，決定對(duì)11處超標(biāo)缺陷進(jìn)行返修。

表2 超聲波檢測(cè)結(jié)果評(píng)定表

3.原因分析

由于本文所述球罐自建造完成至首次全面檢驗(yàn)一直處于備用狀態(tài)，且檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的缺陷均為未熔合焊接缺陷，由此可以判斷該球罐缺陷是在現(xiàn)場(chǎng)組裝過程中形成的。出現(xiàn)未熔合的原因主要是電流過小、焊條擺動(dòng)不均勻，在兩熔合線邊緣電弧停留時(shí)間不夠或焊條偏心時(shí)，使電弧偏于一側(cè)又不能及時(shí)糾正，使母材或前一層焊道得不到充分的熔化就被填充金屬覆蓋而造成未熔合缺陷。

球罐的現(xiàn)場(chǎng)焊接與制造廠內(nèi)壓力容器的制造過程有一定差異，焊接質(zhì)量受制于各種環(huán)境條件和工藝要求的影響。如果安裝單位的現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量控制不嚴(yán)，以及監(jiān)檢單位的監(jiān)檢工作不到位，勢(shì)必會(huì)給球罐遺留下各種不同程度的焊接缺陷，造成球罐產(chǎn)生先天性質(zhì)量問題，給球罐的運(yùn)行埋下事故隱患。

4.缺陷的處理

為保證修復(fù)后的球罐達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的質(zhì)量要求，保障安全運(yùn)行，決定采用局部消除缺陷，然后進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)的方案，具體工藝流程如下。

對(duì)缺陷位置進(jìn)行超聲波定位，確定缺陷深度→罐體上標(biāo)注→缺陷消除→滲透探傷，確認(rèn)缺陷挖除干凈→焊接工藝評(píng)定及工藝的制定→開坡口并打磨→焊前預(yù)熱→補(bǔ)焊→補(bǔ)焊后復(fù)檢→局部熱處理→磁粉探傷、硬度及壁厚檢測(cè)→水壓試驗(yàn)→磁粉探傷(缺陷修復(fù)部位、立柱角焊縫)。

(1)缺陷消除

利用碳弧氣刨與砂輪機(jī)打磨對(duì)超標(biāo)缺陷進(jìn)行消缺處理，除B3-a缺陷從外部打磨，以便于之后的補(bǔ)焊操作外，其余缺陷全部由內(nèi)部進(jìn)行打磨。打磨深度根據(jù)超聲波檢測(cè)的缺陷埋藏深度確定，打磨坡口為45°圓底V型坡口。由于缺陷B1-b與B1-c間距僅為160mm，故將兩處缺陷合并為一處進(jìn)行消除，打磨長度為該兩處缺陷之間的160mm以及兩側(cè)各延伸50mm，其余單個(gè)超標(biāo)缺陷打磨長度均為100mm。確定缺陷打磨長度的目的在于盡可能地避免焊接殘余應(yīng)力。打磨消缺過程中應(yīng)進(jìn)行磁粉檢測(cè)驗(yàn)證，直至超標(biāo)缺陷消盡為止。

(2)焊前預(yù)熱與后熱

球罐球殼板壁厚較大、冷裂傾向大。裂紋對(duì)球罐的使用造成極大的危害。焊前做好預(yù)熱、焊后及時(shí)后熱是防止產(chǎn)生焊接裂紋的有效措施之一。

該球罐返修過程中，預(yù)熱溫度為150～200℃。預(yù)熱時(shí)采用氧乙炔火焰預(yù)熱。預(yù)熱范圍為返修處半徑150mm內(nèi)。補(bǔ)焊時(shí)，層間溫度不低于175℃。焊后立即進(jìn)行后熱，后熱溫度為200～250℃，時(shí)間為0.5～1h，使用氧乙炔火焰進(jìn)行后熱。預(yù)熱與后熱及層間溫度測(cè)量的位置，在距焊縫中心50mm處對(duì)稱測(cè)量。

(3)補(bǔ)焊

該球罐的材質(zhì)為16MnR，因此選用J507φ3.2mm焊條，焊條按批號(hào)進(jìn)行擴(kuò)散氫檢驗(yàn)，符合使用要求。焊條烘焙溫度為350～400℃，保溫1～2h，烘干后的焊條放在保溫筒中隨用隨取，若在大氣中擱置4h以上，應(yīng)再次烘干，但次數(shù)不得超過兩次。同一部位焊縫返修不宜超過兩次，如超過兩次，返修前應(yīng)當(dāng)經(jīng)過制造單位技術(shù)負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)，并且將返修的次數(shù)、部位、返修情況記入壓力容器質(zhì)量證明文件。焊接設(shè)備選用直流焊機(jī)，極性反接，焊接電流為110～140A，電壓17～19V，焊接速度為100mm/min。返修時(shí)每道焊縫焊接前應(yīng)用測(cè)溫儀檢查，達(dá)到預(yù)熱溫度后方可進(jìn)行焊接。

(4)補(bǔ)焊后復(fù)檢

焊接檢驗(yàn)包括表面和內(nèi)部檢測(cè)兩方面。

①焊縫和熱影響區(qū)表面不得有裂紋、氣孔、咬邊、夾渣、凹坑、未焊滿等缺陷，焊縫余高控制在0～4mm內(nèi)。

②補(bǔ)焊結(jié)束36h后，進(jìn)行表面磁粉檢測(cè)。

③磁粉檢測(cè)確認(rèn)無表面缺陷后，采用超聲波檢測(cè)對(duì)焊縫進(jìn)行埋藏缺陷的復(fù)檢。檢驗(yàn)前用砂輪機(jī)將焊縫磨光、外形圓滑過渡，去除表面污垢、熔渣及飛濺物等雜物。補(bǔ)焊后的球罐外表面補(bǔ)焊部位未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，超聲波檢測(cè)及射線檢測(cè)結(jié)果合格。

(5)局部熱處理

補(bǔ)焊后在焊縫區(qū)有很大的殘余應(yīng)力，甚至可達(dá)到材料的屈服極限，有必要對(duì)補(bǔ)焊部位進(jìn)行焊后消除應(yīng)力處理。

熱處理具體要求如下。

①焊接檢驗(yàn)合格后進(jìn)行局部熱處理，熱處理溫度為625±25℃，恒溫時(shí)間為2.5h，熱處理范圍為焊縫返修處沿焊縫長度方向兩側(cè)各1 500mm，寬度為焊縫中心兩側(cè)各150mm。熱處理采用電加熱法進(jìn)行，使用保溫棉包裹。熱處理時(shí)，做臨時(shí)球形支架將保溫棉固定在球罐上。

②在300℃以上，升溫速度50～80℃/h，降溫時(shí)，降溫速度控制在30～50℃/h，300℃以下在空氣中自然冷卻。

熱處理過程分為加熱、升溫、保溫、降溫、緩冷五個(gè)步驟。測(cè)溫點(diǎn)的設(shè)置為返修處內(nèi)外表面各一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，另在各返修點(diǎn)附近均勻設(shè)置共10處測(cè)溫點(diǎn)，共計(jì)32個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，對(duì)熱處理溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為了檢查熱處理效果，熱處理后，對(duì)熱處理部位進(jìn)行了硬度抽檢，抽檢結(jié)果合格。

(6)耐壓試驗(yàn)

根據(jù)TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中的規(guī)定，對(duì)球罐進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。該球罐試驗(yàn)壓力為4.26MPa，試驗(yàn)時(shí)對(duì)補(bǔ)焊處焊縫外部重點(diǎn)檢查。經(jīng)試驗(yàn)，無滲漏；無可見異常變形；無異常響聲。試驗(yàn)結(jié)論為合格。水壓試驗(yàn)完成后，對(duì)修復(fù)部位及立柱角焊縫進(jìn)行磁粉探傷，未發(fā)現(xiàn)新生缺陷。

(7)返修后的安全狀況等級(jí)評(píng)定

返修后的安全狀況等級(jí)評(píng)定按照《容檢規(guī)》的要求進(jìn)行，將復(fù)檢中超聲波及射線檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的非超標(biāo)缺陷與《容檢規(guī)》中一般壓力容器非圓形缺陷與相應(yīng)的安全狀況等級(jí)進(jìn)行對(duì)照，將返修后球罐安全狀況等級(jí)評(píng)為3級(jí)，可以安全投用。

5.結(jié)束語

球罐現(xiàn)場(chǎng)組裝質(zhì)量差將給生產(chǎn)裝置帶來許多安全隱患，這就需要在制造過程中進(jìn)行有效監(jiān)檢，在使用中嚴(yán)格按照法規(guī)要求對(duì)球罐定期進(jìn)行檢驗(yàn)，及時(shí)查出、有效修復(fù)超標(biāo)缺陷，嚴(yán)格控制檢驗(yàn)和修復(fù)質(zhì)量才能保證球罐安全投用，為確保球罐的安穩(wěn)長期運(yùn)行提供前提條件。

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

[2]寧志敏.球罐焊接缺陷的產(chǎn)生及控制[J].山西科技，2000(42-43).

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

[4]劉超鋒，劉亞莉，許培援等.國內(nèi)球罐焊后熱處理技術(shù)[J].壓力容器，2006，23(9)∶38-43.