尤桂群,劉 捷

（赤峰市特種設(shè)備檢驗(yàn)所,內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

淺析運(yùn)用凹坑理論處理在用壓力容器裂紋缺陷的方法

尤桂群,劉 捷

（赤峰市特種設(shè)備檢驗(yàn)所,內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

本文對(duì)一單位使用的儲(chǔ)罐進(jìn)行磁粉探傷檢驗(yàn)，通過(guò)對(duì)其存在問(wèn)題的分析及解決辦法的闡述，簡(jiǎn)要介紹了在用壓力容器檢驗(yàn)中進(jìn)行凹坑缺陷無(wú)量綱參數(shù)G0的計(jì)算的方法。

裂紋；凹坑缺陷；無(wú)量綱參數(shù)G0

2006年5月，對(duì)某使用單位的儲(chǔ)罐進(jìn)行磁粉探傷檢驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)筒體縱焊縫內(nèi)表面熔合線附近有一處表面裂紋，打磨消除裂紋后，運(yùn)用TSG R7001-2004《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》（簡(jiǎn)稱《容檢規(guī)》），對(duì)此凹坑缺陷進(jìn)行安全狀況等級(jí)評(píng)定。

以下就如何運(yùn)用凹坑理論來(lái)判斷打磨后的凹坑是否允許存在進(jìn)行一些探討。

1 容器基本情況

該容器為臥式，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。容器的設(shè)計(jì)壓力為1.77MPa，最高工作壓力為1.63MPa，設(shè)計(jì)溫度為50℃，腐蝕裕度為1.0mm，內(nèi)直徑為2400mm，長(zhǎng)度為12086mm，主體材質(zhì)為16MnR，筒體厚度為16.0mm,封頭厚度為18.0mm，工作介質(zhì)為液化石油氣。

該容器于1993年3月制造，1993年10月投入運(yùn)行，一直按期進(jìn)行全面檢驗(yàn)。

本次檢驗(yàn)依據(jù)《容檢規(guī)》、《質(zhì)量手冊(cè)》及“檢驗(yàn)方案”進(jìn)行，在對(duì)容器的焊縫內(nèi)表面進(jìn)行磁粉探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)一處表面裂紋，如圖2所示，打磨消除裂紋后，形成一個(gè)凹坑，經(jīng)過(guò)硬度測(cè)定和金相分析確認(rèn)該處材料未發(fā)生劣化現(xiàn)象。但是外觀檢查發(fā)現(xiàn)此處存在對(duì)口錯(cuò)邊和強(qiáng)力組裝現(xiàn)象。

圖1

2 裂紋的形成原因

在拉應(yīng)力和特定腐蝕環(huán)境聯(lián)合作用下，金屬構(gòu)件發(fā)生的脆性開(kāi)裂的過(guò)程稱為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。裂紋一般發(fā)生在焊縫區(qū)域和冷作加工區(qū)。進(jìn)一步研究表明，主要是由于在這些部位存在淬硬組織、形變硬化以及殘余應(yīng)力，使得焊縫區(qū)域硬度過(guò)高所致。從檢驗(yàn)情況、制造質(zhì)量和使用情況分析，裂紋的產(chǎn)生既有使用不當(dāng)造成的，也有制造時(shí)遺留下的。檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的裂紋屬于典型的焊趾裂紋，焊趾裂紋起源于母材和焊縫的交界處，是明顯應(yīng)力集中的部位。而且此處存在對(duì)口錯(cuò)邊和強(qiáng)力組裝的情況，有可能產(chǎn)生比較大的拘束應(yīng)力。該儲(chǔ)罐曾經(jīng)盛裝過(guò)硫化氫嚴(yán)重超標(biāo)的液化石油氣，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月。當(dāng)硫化氫的濃度增加時(shí)，電離出的H+在金屬表面放電產(chǎn)生氫原子，氫原子擴(kuò)散進(jìn)入鋼中，在鋼的內(nèi)部聚集形成過(guò)飽和的氫，過(guò)飽和的氫能夠在鋼中顯微孔隙中形成分子氫，氫壓升高到大于臨界值就會(huì)產(chǎn)生裂紋。只要硫化氫介質(zhì)不斷地補(bǔ)充，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，就容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。也就是說(shuō)該裂紋的產(chǎn)生的原因應(yīng)該是，在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下，在一定的時(shí)間周期內(nèi)，產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕裂紋。對(duì)于含硫化氫環(huán)境中引起的應(yīng)力腐蝕，如果控制硫化氫的濃度在極限濃度之下，就控制了進(jìn)入鋼中的原子氫的量，就會(huì)使得鋼中氫濃度在一定條件下不能達(dá)到極限濃度，氫壓達(dá)不到臨界值，因此就可以防止應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生。也就是說(shuō)，在儲(chǔ)罐使用的過(guò)程中，嚴(yán)格控制液化石油氣中硫化氫的濃度，使其小于規(guī)定值，是避免產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的非常重要的因素之一。

由于應(yīng)力腐蝕裂紋的復(fù)雜性，而且影響的因素很多，涉及的學(xué)科也很廣。所以，真正搞清楚應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的原因還有很多疑難問(wèn)題需要進(jìn)一步解決。

圖2

3 安全狀況等級(jí)評(píng)定

根據(jù)《容檢規(guī)》第四十條，內(nèi)、外表面不允許有裂紋，如果有裂紋應(yīng)當(dāng)打磨消除，打磨后形成的凹坑在允許范圍內(nèi)不需要補(bǔ)焊的，不影響定級(jí)。裂紋打磨后形成凹坑的深度如果在壁厚余量范圍內(nèi)，則該凹坑允許存在。否則，將凹坑按其外接矩形規(guī)則化為長(zhǎng)軸長(zhǎng)度，短軸長(zhǎng)度及深度分別為2A（mm），2B（mm）及C（mm）的半橢球形凹坑，計(jì)算無(wú)量綱參數(shù)G0，如果G0＜0.1，則該凹坑在允許范圍內(nèi)。

凹坑尺寸如下表所示：

缺陷 長(zhǎng)度（mm）2A深度（mm）δ深度（或者C）寬度（mm）2B缺陷處實(shí)測(cè)壁厚（mm）δ實(shí)測(cè)凹坑 60 5.0 40 16.0

首先，確認(rèn)裂紋打磨后形成凹坑的深度是否在壁厚余量范圍內(nèi)。

假定下一檢驗(yàn)周期不超過(guò)5年，考慮到內(nèi)壁腐蝕，保守估計(jì)年腐蝕速率為：0.1mm，則下一周期均勻腐蝕量C2=0.5mm。16MnR的許用應(yīng)力[σ]=163MPa。焊縫系數(shù)φ=1.0。

最高工作壓力Pc=1.63 MPa。內(nèi)直徑Di=2400mm。

校核厚度：δ校＝[PC×Di/（2×[σ] ×φ-PC）]+C2＝[1.63×2400/（2×163×1.0-1.63）]+0.5=12.56mm

凹坑底部厚度δ計(jì)算：

由上述計(jì)算結(jié)果可知，凹坑深度超過(guò)了壁厚余量，凹坑不能存在。因此，還必須按《容檢規(guī)》計(jì)算無(wú)量綱參數(shù)G0，評(píng)定凹坑是否在允許范圍內(nèi)。

根據(jù)《容檢規(guī)》，進(jìn)行無(wú)量綱參數(shù)G0計(jì)算的凹坑，應(yīng)當(dāng)滿足8個(gè)條件，逐條分析如下。

（1）凹坑表面光滑、過(guò)渡平緩，并且其周?chē)鸁o(wú)其他表面缺陷或者埋藏缺陷；消除裂紋，且經(jīng)修磨后，對(duì)凹坑表面，底部及周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)，進(jìn)行了外觀檢查，磁粉探傷和超聲波探傷，確認(rèn)滿足該條件。

（2）凹坑不靠近幾何不連續(xù)區(qū)域或者在尖銳棱角的區(qū)域；經(jīng)外觀檢查，確認(rèn)滿足該條件。

（3）容器不承受外壓或者疲勞載荷；由于該容器介質(zhì)我液化氣體，僅承受內(nèi)壓，其內(nèi)壓的大小與環(huán)境溫度的變化有關(guān)，壓力變化相對(duì)平穩(wěn)，所以滿足該條件。

（4）T/R小于0.18的薄壁圓筒殼或者T/R小于0.10的薄壁球殼；由于該容器的外徑與內(nèi)徑之比，即（2400+16×2）/2400=1.013＜1.2，所以該容器為薄壁圓筒殼。T為凹坑所在部位容器的壁厚（取實(shí)測(cè)壁厚減去至下次檢驗(yàn)期的腐蝕量），R為容器平均半徑。

已知T＝δ實(shí)測(cè)-C2=15.5mm；R=（Di+δ實(shí)測(cè)）/2=1208mm，所以T/R=0.013＜0.18，滿足該條件；

（5）材料滿足壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)定，未發(fā)現(xiàn)劣化；經(jīng)過(guò)硬度測(cè)定和金相分析確認(rèn)該處材料未發(fā)生劣化現(xiàn)象。

（6）凹坑深度C小于壁厚T的1/3并且小于12mm，坑底最小厚度（T- C）不小于3mm；經(jīng)計(jì)算δ深度（或者C）＝5.0mm＜T/3＝5.17mm，滿足該條件；計(jì)算T-δ深度（或者C）＝10.5mm＞3mm， 滿足該條件。

（7）凹 坑半長(zhǎng)A≤1.4（R×T）1/2；經(jīng)計(jì)算， 凹 坑半長(zhǎng)A=30mm≤1.4（R×T）1/2=1.4（1208×15.5）1/2=191.57mm，滿足該條件；

（8）凹坑半寬B不小于凹坑深度C的3倍；經(jīng)計(jì)算，凹坑半寬B=20mm≥3×δ深度=3×5=15mm, 滿足該條件；

經(jīng)過(guò)上述分析，確認(rèn)該凹坑滿足進(jìn)行無(wú)量綱參數(shù)G0計(jì)算的8個(gè)條件，可以進(jìn)行凹坑缺陷無(wú)量綱參數(shù)G0的計(jì)算。

即：

所以，該缺陷修磨后的凹坑在允許的范圍內(nèi)可以不作處理。

4 結(jié)論

對(duì)于在定期檢驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)的一些比較嚴(yán)重的裂紋性缺陷，通過(guò)凹坑缺陷無(wú)量綱參數(shù)G0的計(jì)算，可以避免簡(jiǎn)單地采用剩余壁厚進(jìn)行強(qiáng)度校核，校核不能滿足強(qiáng)度要求的就補(bǔ)焊返修的現(xiàn)象，為容器的使用單位節(jié)約了時(shí)間和資金。也避免了補(bǔ)焊返修過(guò)程控制不當(dāng)造成的返修部位產(chǎn)生更多缺陷的問(wèn)題。

需要注意的是，在裂紋打磨消除前，一定要制定打磨方案，在打磨的過(guò)程中不斷地進(jìn)行試算，即按照進(jìn)行無(wú)量綱參數(shù)G0計(jì)算的凹坑應(yīng)當(dāng)滿足的八個(gè)條件逐一進(jìn)行分析，確認(rèn)是否滿足，如果凹坑缺陷無(wú)量綱參數(shù)G0的計(jì)算結(jié)果在不允許的范圍時(shí)，要按補(bǔ)焊返修方案打磨。

為了避免產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，制造過(guò)程中，應(yīng)注意焊前預(yù)熱，減少熱影響區(qū)的淬硬傾向。避免可以引起應(yīng)力集中和氫損傷的制造缺陷，還應(yīng)該避免冷矯、錘擊等強(qiáng)力組裝所引起的形變硬化傾向。可以通過(guò)熱處理將硬度降低到規(guī)定值以下。在使用過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制液化石油氣中硫化氫的濃度，使其在允許范圍內(nèi)。

該容器在使用一個(gè)檢驗(yàn)周期后，對(duì)凹坑部位進(jìn)行了外觀檢查和無(wú)損檢測(cè)復(fù)查未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，符合《容檢規(guī)》要求。

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

[2]GB150-1998《鋼制壓力容器》[M].