楊雄，李開亞，閆艷偉，劉建杰

(1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司；2.合肥通用機(jī)械研究院特種設(shè)備檢驗站有限公司，安徽 合肥 230031)

隨著科技的進(jìn)步，工業(yè)化水平不斷提高，壓力容器作為工業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用工業(yè)生產(chǎn)中，如煉油、化工等領(lǐng)域中，這些領(lǐng)域的特點為介質(zhì)易燃易爆、有毒有害、高溫高壓，裝置的大型化、生產(chǎn)的連續(xù)化，自動化程度高，一旦發(fā)生事故，會帶來很大的損失。壓力容器定期檢驗是在特種設(shè)備檢驗機(jī)構(gòu)按照一定的時間周期，在壓力容器停機(jī)時，按照相關(guān)規(guī)程對在用壓力容器安全狀況所進(jìn)行的符合性驗證工作。

焊縫裂紋是焊接過程中或焊接完成后在焊接區(qū)域中出現(xiàn)的金屬局部破裂的表現(xiàn)。焊接裂紋是一種危害最大的缺陷，不僅降低焊接接頭的強(qiáng)度，還會引起應(yīng)力集中，使焊接結(jié)構(gòu)承載后造成斷裂，使產(chǎn)品報廢，甚至?xí)饑?yán)重的事故。裂紋按分布的走向分為橫向裂紋、縱向裂紋、星形裂紋（弧形裂紋）；按產(chǎn)生本質(zhì)分為熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋、層狀撕裂、應(yīng)力腐蝕裂紋等。

熱裂紋從宏觀上看，焊縫熱裂紋沿焊縫的軸向呈縱向分布（連續(xù)或斷續(xù)），也可看到橫向裂紋，裂口均有較明顯的氧化色彩，表面無光澤；從微觀看，沿晶粒邊界（包括亞晶界）分布，屬于沿晶斷裂性質(zhì)。

冷裂紋宏觀斷口具有發(fā)亮的金屬光澤的脆性斷裂特性；從微觀上看常常是晶間斷裂，但也可穿晶斷裂，也可晶間和穿晶混合斷裂。

根據(jù)資料分析，焊接結(jié)構(gòu)中，冷裂紋約占90%，熱裂紋約占10%，其他裂紋比較少見。本文就壓力容器中的氫氣瓶在檢驗過程中發(fā)現(xiàn)的缺陷及處理進(jìn)行分析。

1 檢驗對象及方法

某化工廠，設(shè)備名稱：氫氣瓶、容器內(nèi)徑：800mm、 長：9195mm、 筒 體/封 頭 材 質(zhì)：16MnR/16MnR、筒體/封頭設(shè)計厚度：44/44mm、設(shè)計壓力（殼程）：15.7MPa、操作壓力（殼程）：12.0 MPa、設(shè)計溫度（殼程）：80℃、操作溫度（殼程）30℃、工作介質(zhì)：氫氣、腐蝕裕度：3.0mm、投用日期：1997年9月，本次檢修設(shè)備未打開，設(shè)備無隔熱層。如圖1為氫氣瓶宏觀照片。

圖1 氫氣瓶宏觀照片

根據(jù)TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（以下簡稱《大容規(guī)》）制定檢驗方案，金屬壓力容器定期檢驗項目，以宏觀檢查、壁厚測定、表面缺陷檢測、埋藏缺陷檢測、安全附件檢驗為主，必要時增加材料分析、密封緊固件檢驗、強(qiáng)度檢核、耐壓試驗、泄漏性試驗等項目。

2 問題及處理

表面缺陷檢測，應(yīng)當(dāng)采用NB/T47013中的磁粉檢測、滲透檢測方法。鐵磁性材料制壓力容器的表面檢測應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用磁粉檢測，采用黑磁粉、交流電磁軛，濕法、連續(xù)法，磁懸液施加方法為噴。交流電磁軛磁提升力≥45N，懸液濃度為10～25g/L，磁粉檢測時一般選用A1：30/100型標(biāo)準(zhǔn)試片。外表面磁粉檢測，發(fā)現(xiàn)該氣瓶所檢測一條焊縫（縱縫）及熱影響區(qū)存在多處線性缺陷顯示，如橫裂、縱裂等（見圖2、圖3），隨后擴(kuò)大為100%外表面缺陷檢測。五條環(huán)縫，四條縱縫，環(huán)縫經(jīng)磁粉檢測未發(fā)現(xiàn)表面裂紋，四條縱縫其中三條存在多處表面裂紋，其對發(fā)現(xiàn)表面缺陷焊縫增加A型脈沖反射法超聲波檢測，經(jīng)超聲波驗證此缺陷為近表面缺陷，非貫穿性缺陷。

圖2 裂紋照片

圖3 裂紋照片

根據(jù)《大容規(guī)》相關(guān)規(guī)定內(nèi)外表面不允許存在裂紋，施工單位開始對缺陷進(jìn)行消除，打磨大約1～2mm，部分裂紋露出焊渣（條形），部分裂紋依然存在，然后對其中兩處開裂比較嚴(yán)重的部位做了金相組織分析。

金相分析結(jié)果：（1）所檢驗各部位金相組織基本正常。（2）有些裂紋位于焊縫金屬附近焊疤內(nèi)部（圖4、5），裂紋尖端以穿晶開裂為主，從形態(tài)上看應(yīng)為焊接延遲裂紋。（3）有些裂紋位于焊縫金屬內(nèi)部焊渣中（圖6、7），從形態(tài)上看應(yīng)為焊渣引起的裂紋。

圖4 外壁裂紋尖端 200×

圖5 外壁裂紋形貌 200×

圖6 外壁裂紋尖端 200×

圖7 外壁裂紋形貌 200×

通過對表面裂紋的形態(tài)和金相結(jié)果初步判斷，裂紋產(chǎn)生是由焊接缺陷條渣引起的渣裂和焊接內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的延遲裂紋。

延遲裂紋產(chǎn)生原因如下：焊接接頭存在淬硬組織，擴(kuò)散氫含量較高，焊接拉應(yīng)力及拘束應(yīng)力較大（或應(yīng)力集中）超過接頭的強(qiáng)度極限時產(chǎn)生開裂等。

防止延遲裂紋產(chǎn)生的措施如下：選用堿性低氫或超低氫型焊條和焊劑；焊前預(yù)熱降低焊縫金屬中擴(kuò)散氫的含量；嚴(yán)格地按照焊接工藝指導(dǎo)書或工藝評定進(jìn)行焊接操作；選擇合理的焊接結(jié)構(gòu)，避免拘束應(yīng)力過大；焊后緩冷、焊后熱處理防止產(chǎn)生淬硬組織，降低或者消除焊接應(yīng)力；采用惰性氣體保護(hù)焊，能最大地控制焊縫含氫量，降低冷裂紋敏感性。

夾渣產(chǎn)生原因具體如下：坡口尺寸不當(dāng)；坡口表面有異物；多道焊接時，層間焊渣清理不干凈；焊接電流?。缓附蛹?dǎo)熱快，焊縫金屬凝固速度過快；焊條藥皮或焊劑化學(xué)成分不當(dāng)，熔點過高；惰性氣體保護(hù)焊接時，電源極性不當(dāng)，電流密度過大。手工焊接時，焊條擺動速度過快，不利于焊接熔渣上浮。

防止夾渣產(chǎn)生的措施如下：根據(jù)相關(guān)規(guī)范合理加工坡口及坡口清理干凈；多道焊接時，層間焊渣清理徹底；合理選材、控制好線能量、焊接速度、控制好焊接工藝；提供焊接人員素質(zhì)等。

隨后對裂紋進(jìn)行打磨消除，打磨形成的凹坑最大深度2mm，根據(jù)《大容規(guī)》8.5.4規(guī)定，內(nèi)外表面不允許存在裂紋，如果有裂紋，應(yīng)當(dāng)打磨消除，裂紋打磨后形成凹坑的深度；如果小于壁厚余量（壁厚余量=實測壁厚-名義壁厚+腐蝕裕量），則凹坑允許存在。本次壁厚余量為3.5mm，則凹坑允許存在。

3 結(jié)語

通過對氫氣瓶進(jìn)行定期檢驗得出如下結(jié)論，點狀夾渣的危害性與圓形缺陷相似，帶有尖角的夾渣會產(chǎn)生尖端應(yīng)力集中，尖端有可能發(fā)展為裂紋源，在焊接應(yīng)力作用下也會產(chǎn)生裂紋。磁粉檢測發(fā)現(xiàn)的表面缺陷存在于縱縫及熱影響區(qū)，環(huán)縫未發(fā)現(xiàn)裂紋，由薄殼理論得知，圓筒殼體中軸向應(yīng)力為環(huán)向應(yīng)力的2倍，縱縫應(yīng)力水平較高，焊縫開裂和應(yīng)力水平密切相關(guān)，因此在定期檢驗過程中，縱向焊接接頭為檢驗重點部位。