劉 徐

遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院 （沈陽(yáng) 110161）

鋼制球罐，其殼體呈球形，是貯存和運(yùn)輸各種液體、氣體、液化氣體的經(jīng)濟(jì)實(shí)用的壓力容器，廣泛應(yīng)用于化工、石油、造船及城市煤氣工業(yè)等領(lǐng)域。

與圓筒形壓力容器相比，球罐具有受力均勻、承載能力強(qiáng)、壁厚和表面積小等主要優(yōu)點(diǎn)。另外，球罐要比圓筒形容器節(jié)約30%～40%的鋼材，但球罐的制造技術(shù)含量比較高、制造費(fèi)用也高，所以從經(jīng)濟(jì)性考慮，儲(chǔ)存大容積物質(zhì)時(shí)，才優(yōu)先選用球罐，總體來(lái)說(shuō)球型容器沒(méi)有圓筒型容器的應(yīng)用廣泛。近些年，我國(guó)化工、石油、造船、冶金以及國(guó)防工業(yè)不斷發(fā)展，對(duì)大容積壓力容器需求量顯著增加，球罐的數(shù)量日益增多，球罐的容積和壓力也在逐漸增大，但在安全使用方面仍然存在隱患，常常有災(zāi)難性的事故發(fā)生，因此對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制是保證生產(chǎn)安全的必要手段。

1 球罐質(zhì)量缺陷

通過(guò)近年來(lái)的球罐失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，我國(guó)的球罐失效事故有75%是源于焊接、組裝兩類(lèi)因素。裂紋作為比較嚴(yán)重的焊接缺陷，引起大量失效事故，也是導(dǎo)致球罐失效的主要原因。

1965 年英國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，壓力容器在役期間發(fā)生失效事故的共計(jì)132臺(tái)，其中由裂紋造成失效事故的計(jì)118臺(tái)，占事故總數(shù)89.3%；1978年日本神奈川縣的調(diào)查結(jié)果顯示，從20世紀(jì)50年代開(kāi)始建造的200m3以上的各種球罐共計(jì)210臺(tái)，其中檢測(cè)出裂紋的有152臺(tái)，占73%。由此可見(jiàn)，從某種意義上說(shuō)，球罐的質(zhì)量控制主要就是裂紋的控制。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)影響鋼制球罐質(zhì)量的主要因素就是裂紋。在球罐的環(huán)縫區(qū)和焊接應(yīng)力較少的焊縫區(qū)常出現(xiàn)較多裂紋，這些裂紋經(jīng)常源于熱影響區(qū)的過(guò)熱區(qū)，并沿焊縫兩側(cè)同時(shí)開(kāi)裂，形態(tài)非常細(xì)小。開(kāi)裂部位的斷口經(jīng)掃描分析，可以發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂的斷面具有沿晶開(kāi)裂形式，斷面上有腐蝕產(chǎn)物和二次開(kāi)裂現(xiàn)象，晶粒較光滑且表面的腐蝕坑較小。裂紋源表面的覆蓋物中，硫越靠近內(nèi)表面，覆蓋物硫的含量越高，由此推斷裂紋的產(chǎn)生主要是受硫化物的影響。裂紋的開(kāi)裂常見(jiàn)有穿晶開(kāi)裂、沿晶開(kāi)裂兩種形式，當(dāng)位錯(cuò)呈平面排列時(shí)，主要在晶粒內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力集中，形成穿晶開(kāi)裂；當(dāng)位錯(cuò)呈網(wǎng)狀排列時(shí)，主要在晶界處發(fā)生應(yīng)力集中，形成晶間開(kāi)裂。

2 球罐裂紋產(chǎn)生原因

鋼制球罐的裂紋主要是在制造過(guò)程中和使用過(guò)程中產(chǎn)生的，所以要預(yù)防裂紋產(chǎn)生，就必須通過(guò)這兩種途徑進(jìn)行嚴(yán)格的控制和維護(hù)，這也正是解決鋼制球罐使用過(guò)程中安全隱患的關(guān)鍵因素，應(yīng)該引起高度重視。

2.1 制造中產(chǎn)生的裂紋

鋼制球罐在制造中產(chǎn)生的裂紋主要是氫致裂紋，產(chǎn)生的原因主要有材料焊接性、組裝時(shí)的拘束應(yīng)力和焊接工藝等三個(gè)方面。

目前國(guó)內(nèi)制造球罐用得最多的低合金高強(qiáng)度鋼有16MnR、15MnVR，這些鋼淬硬傾向較大，對(duì)裂紋比較敏感。球罐材料的焊接過(guò)程中主要產(chǎn)生以下2種裂紋：(1)焊接冷裂紋。焊接接頭冷卻到較低溫度（對(duì)于鋼來(lái)說(shuō)一般是指Ms點(diǎn)以下）時(shí)產(chǎn)生的裂紋，稱(chēng)為冷裂紋。拘束應(yīng)力、淬硬組織和氫的共同作用，使焊接接頭產(chǎn)生的開(kāi)裂就屬于冷裂紋。冷裂紋主要發(fā)生在中碳鋼、高碳鋼以及合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接接頭中，特別易于出現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)。發(fā)生在焊縫中的冷裂紋通常是橫向裂紋，開(kāi)裂形式為穿晶開(kāi)裂。(2)再熱裂紋。某些合金鋼焊后消除應(yīng)力處理過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋，稱(chēng)為消除應(yīng)力處理裂紋；在高溫合金焊后時(shí)效處理或高溫使用過(guò)程中伴隨時(shí)效沉淀硬化而出現(xiàn)的裂紋，稱(chēng)為應(yīng)變時(shí)效裂紋。這種焊后對(duì)接頭再次加熱所引起的裂紋統(tǒng)稱(chēng)為再熱裂紋。熔合區(qū)和熱影響區(qū)常有再熱裂紋產(chǎn)生，其開(kāi)裂形式為沿晶開(kāi)裂。

組裝應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力是拘束應(yīng)力的主要形式，制造球殼時(shí)產(chǎn)生的曲率偏差和低合金高強(qiáng)鋼的固有特性等因素，導(dǎo)致組裝應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力隨鋼板厚度增加而增加。另外，組裝現(xiàn)場(chǎng)的條件惡劣時(shí)，難免會(huì)出現(xiàn)較大的尺寸偏差、角變形和錯(cuò)邊量，造成局部應(yīng)力集中，產(chǎn)生焊接裂紋。還有就是，球罐的環(huán)縫拘束度比縱縫拘束度要大得多。我國(guó)質(zhì)量檢測(cè)部門(mén)對(duì)7個(gè)煉油廠(chǎng)的球罐進(jìn)行檢測(cè)后，發(fā)現(xiàn)了1 487條裂紋，其中發(fā)生在環(huán)縫上的裂紋有1 242條裂紋，占裂紋總數(shù)的83.5%。

焊接工藝對(duì)裂紋產(chǎn)生的影響主要體現(xiàn)在4個(gè)方面：

(1)焊條若不嚴(yán)格按照要求烘干，焊縫中會(huì)產(chǎn)生較多的水分、氫氣，進(jìn)而導(dǎo)致氫致裂紋的產(chǎn)生；

(2)焊接線(xiàn)能量選擇不當(dāng)，直接影響焊接接頭的組織性能，增加裂紋產(chǎn)生的可能性；

(3)預(yù)熱、后熱、層間溫度等控制不當(dāng)，不僅接頭組織性能不能得到改善，消氫和消除內(nèi)應(yīng)力的效果不好，甚至還會(huì)增加氫致裂紋產(chǎn)生的可能性；

(4)合理地選擇焊接順序，有利于控制焊接變形和減少焊接應(yīng)力，也可有效避免裂紋的產(chǎn)生。

2.2 使用過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋

鋼制球罐在使用過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋主要有腐蝕開(kāi)裂、疲勞裂紋。

球罐所接觸的介質(zhì)除大氣外，還有各種酸、堿、液態(tài)烴、液化石油氣、液氨等，成分比較復(fù)雜。晶間腐蝕開(kāi)裂或應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是多種因素共同作用的結(jié)果，主要有材質(zhì)、介質(zhì)、應(yīng)力。金屬材料并不是在任何腐蝕介質(zhì)中都產(chǎn)生腐蝕開(kāi)裂，材質(zhì)與介質(zhì)之間具有一定的匹配性，也就是某種材料只有在某種介質(zhì)中才產(chǎn)生腐蝕開(kāi)裂。純金屬不產(chǎn)生腐蝕開(kāi)裂，而即使含微量元素的合金，在特定的腐蝕環(huán)境中也會(huì)具有一定腐蝕開(kāi)裂的傾向，但并非在任何環(huán)境都會(huì)產(chǎn)生腐蝕開(kāi)裂。此外，產(chǎn)生腐蝕開(kāi)裂存在臨界應(yīng)力，當(dāng)結(jié)構(gòu)中應(yīng)力水平低于臨界應(yīng)力時(shí)是不會(huì)產(chǎn)生腐蝕開(kāi)裂的。

球罐在交變應(yīng)力作用下，最主要的失效形式就是疲勞裂紋，此種裂紋是在遠(yuǎn)低于材料抗拉強(qiáng)度或屈服點(diǎn)的條件下產(chǎn)生的，由此產(chǎn)生的斷裂占零件斷裂的80%。疲勞裂紋常出現(xiàn)在未焊透、夾渣、咬邊等缺陷處，這些部位應(yīng)力較集中，是“先天”的疲勞裂紋源。交變應(yīng)力在危險(xiǎn)截面處多次循環(huán)后，晶粒中的薄弱地帶出現(xiàn)不均勻滑移帶，從而形成初始裂紋，裂紋尖端在切應(yīng)力作用下發(fā)生反復(fù)塑性變形，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，最終斷裂。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要是對(duì)鋼制球罐的焊接質(zhì)量進(jìn)行分析，并針對(duì)影響鋼制球罐焊接質(zhì)量的主要因素裂紋的產(chǎn)生進(jìn)行了一定的分析。鋼材的選取、球罐的制造與組裝、焊接工藝、殘余應(yīng)力的消除等都會(huì)對(duì)防止裂紋的產(chǎn)生起主要作用，只有對(duì)裂紋進(jìn)行有效的控制，才可以解決鋼制球罐的質(zhì)量問(wèn)題。

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