劉杰，李飛，賈銀翠，劉程遠(yuǎn)，劉建杰

（合肥通用機(jī)械研究院特種設(shè)備檢驗(yàn)站，安徽 合肥 230031）

在早期建成的石化企業(yè)中，存在著相當(dāng)數(shù)量的業(yè)已超過設(shè)計(jì)壽命的超期服役壓力容器，它們本就先天不足帶病運(yùn)行，再處于長(zhǎng)期超期服役狀態(tài)，其安全性更受影響。將此部分設(shè)備更新在經(jīng)濟(jì)上難以承受，技術(shù)上亦無必要。顯然超期服役容器的延壽與安全性是當(dāng)是石化行業(yè)一個(gè)非常重要的課題。2017年4月受中石化某分公司委托，我單位對(duì)該公司的一臺(tái)超期服役的1000m3液化石油氣球罐做定期檢驗(yàn)。該球罐為五帶八柱桔瓣式，1975年由安慶石化設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，大連金州重型機(jī)器廠制造，化三建安裝，于1980年9月投用，操作壓力1.2MPa，操作溫度為常溫，主體材質(zhì)為15MnVR，球殼板厚度34mm。原始出廠資料已丟失，有2005年、2009年、2013年的全面檢驗(yàn)報(bào)告。

1 檢驗(yàn)情況

考慮該球罐已服役接近40年，焊接原生缺陷多等原因，依據(jù)TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》制定了本次檢驗(yàn)方案，檢驗(yàn)項(xiàng)目包括：宏觀檢查；壁厚測(cè)定；內(nèi)、外壁100%表面檢測(cè)；100%超聲檢測(cè)；TOFD抽查；硬度測(cè)試；金相分析等，檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的主要問題及處理措施如下。

宏觀檢查：發(fā)現(xiàn)球殼板存在有拼接結(jié)構(gòu)，屬焊縫布置不當(dāng)，結(jié)構(gòu)不合理，但多年運(yùn)行正常，并未產(chǎn)生新生缺陷，可定為3級(jí)，不做處理。

測(cè)厚：球殼板厚度正常，最小壁厚31.4mm；接管偏薄，下極極中板脫水管（ф60，下文稱“脫水管”）最小壁厚2.8mm，下極極側(cè)板熱電偶管（ф34，下文稱“熱電偶管”）最小壁厚2.1mm，對(duì)以上兩個(gè)接管做更換處理。

超聲及TOFD檢測(cè)：上次全面檢驗(yàn)時(shí)超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)并保留的65處超標(biāo)缺陷未發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展，其他部位未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

表面檢測(cè)：內(nèi)壁熒光磁粉檢測(cè)發(fā)現(xiàn)工卡具焊跡處表面裂紋10處，主要集中在下半球內(nèi)壁定位塊附近，經(jīng)打磨消除；外壁未發(fā)現(xiàn)表面缺陷。

硬度金相檢測(cè)：對(duì)表面檢測(cè)所發(fā)現(xiàn)焊跡缺陷部位進(jìn)行硬度測(cè)試和金相分析。發(fā)現(xiàn)缺陷部位主要為淬硬組織，硬度值過高，最高達(dá)479HB。

2 原因分析及應(yīng)對(duì)措施

2.1 厚度問題

（1）原因分析：針對(duì)厚度減薄情況，查閱近幾次檢驗(yàn)報(bào)告得知：球殼板、脫水管、熱電偶管近幾次定期檢驗(yàn)的實(shí)測(cè)最小壁厚，見表1。

表1 近幾次檢驗(yàn)球殼板及接管實(shí)測(cè)壁厚對(duì)照表

從表中可以看出，球殼板及接管均有輕微腐蝕，也驗(yàn)證了碳鋼及低合金鋼在液化氣環(huán)境中腐蝕速率較小，但超期服役近40年后，腐蝕總量較大。對(duì)于此類容器接管，我們不能粗略地將其簡(jiǎn)化為只承受內(nèi)壓的管道，強(qiáng)度校核僅需0.3～0.4mm，就判斷所剩壁厚足夠使用。實(shí)際情形還需要做開孔處應(yīng)力集中的分析計(jì)算；相連管系的彎矩、柔性分析等。因未見設(shè)計(jì)、安裝、竣工等原始資料，故無法確定接管原始壁厚。經(jīng)與用戶溝通得知，投用至今未更換過任何接管。不妨以腐蝕速率反推，以表中數(shù)據(jù)粗略核算約為0.1mm/年，大膽推算其原始壁厚：脫水管約為6.0mm，熱電偶管約為5.8mm。

對(duì)比本次所測(cè)數(shù)值，兩接管減薄約一半，且剩余厚度非常薄（均小于3mm），在運(yùn)行、巡檢等過程中若有人為觸碰或誤操作等導(dǎo)致接管破損泄漏，則后果較為嚴(yán)重。從保守的角度我們提出更換接管的要求。

（2）應(yīng)對(duì)措施：①使用單位應(yīng)加強(qiáng)資料管理工作，資料一旦遺失給后續(xù)工作帶來許多困難。②在檢驗(yàn)過程中不能忽視接管檢測(cè)。原因主要有：a.容器設(shè)計(jì)時(shí)，接管壁厚常依據(jù)相鄰法蘭壓力等級(jí)進(jìn)行選取，與殼體并非同壽命設(shè)計(jì)。在相同的腐蝕速率、腐蝕量下，接管更易出現(xiàn)問題。b.接管與容器主體材質(zhì)經(jīng)常不盡相同，造成腐蝕速率不一致。若依容器主體腐蝕速率去推論接管腐蝕程度，易產(chǎn)生很多誤差。c.在安裝制造過程中，表面檢測(cè)是檢測(cè)接管角焊縫焊接質(zhì)量的有效手段，可以檢出焊道間缺陷、近表面及表面開口缺陷。而埋藏缺陷難以檢測(cè)（超聲、射線檢測(cè)等較難實(shí)施），焊接質(zhì)量難以監(jiān)管，造成焊工在焊接時(shí)經(jīng)常效率先行，只管表面質(zhì)量是否合格，而忽視埋藏缺陷。這些原生缺陷經(jīng)常帶來運(yùn)行中的風(fēng)險(xiǎn)。在多次檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)常可見到如下現(xiàn)象，可以證實(shí)上述情形：表面檢測(cè)發(fā)現(xiàn)接管角焊縫表面未熔合、裂紋等缺陷，在打磨處理中發(fā)現(xiàn)有未焊透等埋藏缺陷；更有甚者，沿缺陷深度方向稍加打磨即磨穿焊縫，實(shí)則制造時(shí)僅外部蓋面、下部根本沒有焊肉，外觀檢查合格即交付使用。

上述情況若在全面檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行處理，則可規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)；若在運(yùn)行過程中發(fā)生泄漏甚至爆炸情形，則后果嚴(yán)重。

2.2 工卡具焊跡處表面裂紋

（1）原因分析：為了分析這些裂紋產(chǎn)生的原因，我們對(duì)這10處缺陷部位進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)硬度測(cè)試和金相分析等理化檢驗(yàn)（硬度測(cè)試采用里氏硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)定，金相分析采用復(fù)膜金相方法）。檢驗(yàn)分析各處缺陷后，發(fā)現(xiàn)其多為焊接工藝不當(dāng)，產(chǎn)生了淬硬組織，從而形成的焊接裂紋。下面選取其中一處缺陷作以說明。

該缺陷部位侵蝕后的照片見圖1，硬度測(cè)試結(jié)果見表2，金相分析組織見圖2、圖3、圖4、圖5。

圖1 缺陷部位侵蝕后照片

從圖1可以很明顯的看出焊跡缺陷處各區(qū)域有明顯的分界線。我們將其劃分為相鄰母材（編號(hào)①區(qū)）、無裂紋區(qū)（編號(hào)②區(qū)）、裂紋區(qū)域（編號(hào)③區(qū)）。

表2 硬度測(cè)試結(jié)果

圖2 相鄰母材金相組織

圖3 無裂紋區(qū)金相組織

圖4 裂紋區(qū)域金相組織

圖5 裂紋尖端微觀形貌及周邊金相組織

圖2為母材區(qū)金相組織，組織正常，為鐵素體+珠光體，硬度范圍：135～152HB，圖3為無裂紋區(qū)金相組織，組織正常，為鐵素體+貝氏體，硬度范圍：185～192HB；圖4、圖5為裂紋區(qū)域金相組織、裂紋尖端微觀形貌及周邊金相組織，組織為針狀馬氏體組織，硬度范圍：381～479HB。

理化檢驗(yàn)結(jié)果表明，裂紋區(qū)域產(chǎn)生了典型的淬硬組織，導(dǎo)致硬度值較正常部位大幅提高。產(chǎn)生淬硬組織的原因可能是工卡具焊接未按評(píng)定合格的焊條電弧焊焊接工藝進(jìn)行，焊接工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，焊接線能量輸入過大或焊條停留時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致熔池溫度較高，加之未進(jìn)行焊前預(yù)熱，焊接冷速過快，從而導(dǎo)致了淬硬組織的產(chǎn)生。淬硬組織力學(xué)性能較差（硬度強(qiáng)度大幅升高，塑性韌性明顯下降），在焊接殘余應(yīng)力的作用下產(chǎn)生了裂紋。

經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)我們得知，15MnVR鋼焊接性能較差。該鋼C含量偏高，降低了焊接性能，增大了淬硬傾向，也就增大了裂紋傾向，在焊接中若處理不當(dāng)，就容易產(chǎn)生焊接裂紋。若能采取焊前預(yù)熱，焊后保溫、緩冷等措施，可有效避免此類裂紋的產(chǎn)生。

而本球罐于1975年設(shè)計(jì)，參照當(dāng)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)《鋼制焊接球形貯罐技術(shù)條件（JB1127-70）》，對(duì)于工卡具的技術(shù)要求僅在表面無損檢測(cè)方面做了部分規(guī)定，而在焊接方面并無任何規(guī)定?？梢酝茰y(cè)因當(dāng)時(shí)無相關(guān)的技術(shù)要求，在安裝過程中很可能未采取焊前預(yù)熱、焊后保溫、緩冷等措施，從而在工卡具焊跡處產(chǎn)生淬硬組織，并形成焊接裂紋。這種推測(cè)與本文案例十分吻合，我們有理由相信標(biāo)準(zhǔn)的不足就是這些工卡具焊跡處淬硬組織及表面裂紋的成因。

（2）應(yīng)對(duì)措施：①完善標(biāo)準(zhǔn)：1986年，第一版的《球形儲(chǔ)罐施工及驗(yàn)收規(guī)范》GBJ 94-86施行，對(duì)工卡具焊接提出了明確要求。因其與現(xiàn)行的GB12337-2014《鋼制球形儲(chǔ)罐》要求基本一致，以下列出GB12337-2014中的相關(guān)條文以供參考。GB12337-2014 8.3.3.3定位焊及工卡具焊接有如下要求：a.對(duì)焊工的要求應(yīng)與球殼焊接相同。定位焊和工卡具焊接按評(píng)定合格的焊條電弧焊焊接工藝進(jìn)行。b.要求預(yù)熱后焊接的球殼，在定位焊及工卡具焊接處，至少應(yīng)在150mm范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱。c.定位焊縫的長(zhǎng)度應(yīng)不小于50mm，引弧點(diǎn)和熄弧點(diǎn)應(yīng)在坡口內(nèi)。d.工卡具的焊接，引弧點(diǎn)和熄弧點(diǎn)應(yīng)在工卡具焊道上。嚴(yán)禁在非焊接位置任意引弧和熄弧。e.工卡具拆除時(shí)，不得損傷球殼板。切除后應(yīng)打磨平滑。從1986年開始至今，球罐安裝的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：如《鋼制球形儲(chǔ)罐》（GB12337-1990、GB GB12337-98、GB12337-2014）；《球形儲(chǔ)罐施工及驗(yàn)收規(guī)范》GB50094-1998、《球形儲(chǔ)罐施工規(guī)范》GB50094-2010，均對(duì)工卡具焊接提出了與上述條文相同的要求，有效控制了該類問題的發(fā)生。②結(jié)合工程實(shí)際加強(qiáng)管理，高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求：盡管標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)施多年，在多個(gè)球罐檢驗(yàn)中，無論是老球罐還是新球罐，我們?nèi)匀怀０l(fā)現(xiàn)工卡具焊接缺陷。究其原因，我們認(rèn)為這是由標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的不到位造成的。結(jié)合球罐安裝現(xiàn)場(chǎng)的工程實(shí)際我們發(fā)現(xiàn)在球殼板組對(duì)的安裝現(xiàn)場(chǎng)中，工卡具焊接有如下問題：a.定位塊數(shù)量眾多，且位置并無嚴(yán)格要求，造成拆除后的表面檢測(cè)容易漏檢，遺留各種缺陷；b.定位塊施焊部位的焊前預(yù)熱、焊后熱處理在現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)過程中較難實(shí)施，造成執(zhí)行不到位或不執(zhí)行。c.在多次檢驗(yàn)中也經(jīng)常發(fā)現(xiàn)一些球罐的定位塊并未完全切除，留有余高約4～5mm，造成應(yīng)力集中，超期運(yùn)行過程中產(chǎn)生裂紋等缺陷。針對(duì)以上情形，不妨提出以下應(yīng)對(duì)措施：a.加強(qiáng)管理，從標(biāo)準(zhǔn)制定、制造執(zhí)行、安裝監(jiān)理等方面提高要求，嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝評(píng)定、焊前預(yù)熱、切除工卡具后應(yīng)打磨平滑等措施，降低風(fēng)險(xiǎn)可能性。b.球罐安裝過程中對(duì)工卡具焊跡除了表面檢測(cè)外，適當(dāng)增加檢測(cè)手段。金相分析難度較大，但可適當(dāng)進(jìn)行硬度抽查，如發(fā)現(xiàn)高硬度淬硬區(qū)則增加補(bǔ)救措施，有效避免焊接裂紋等危害性缺陷的產(chǎn)生。鑒于球罐安裝吊裝的實(shí)際情形，定位塊、吊裝用卡具等在上半球基本焊在罐外，下半球基本焊在罐內(nèi)。結(jié)合本次檢驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)工卡具焊跡處裂紋皆出現(xiàn)在下半球內(nèi)壁，安裝過程中的工卡具焊跡表面檢測(cè)、硬度檢測(cè)（如施行）等手段可著重檢查下半球內(nèi)壁。

在球罐安裝時(shí)，對(duì)內(nèi)壁工卡具焊跡處做硬度抽查能有效避免此類淬硬組織及裂紋的產(chǎn)生。這可由業(yè)主方在技術(shù)協(xié)議中提出要求，也請(qǐng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)起草者予以考慮。

3 結(jié)語

作為石化企業(yè)保障安全運(yùn)行的重要手段，細(xì)致有效的檢驗(yàn)工作可檢出這類超期服役壓力容器眾多的原生缺陷、新生缺陷。同時(shí)分析成因，找出可行的應(yīng)對(duì)措施，并為其延壽與安全性提出可靠的參考建議。

在對(duì)該球罐的檢驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)了一些原生缺陷。危害性較大的予以處理消除：如消除焊跡處裂紋；危害性較小的予以保留：如拼接等不合理結(jié)構(gòu)、未擴(kuò)展的埋藏缺陷。也檢驗(yàn)出了新生缺陷：如接管減?。ㄗ鞲鼡Q處理）。這類新生缺陷大多是伴隨著在用容器運(yùn)行中的腐蝕、沖刷、應(yīng)力腐蝕、氫脆、疲勞、蠕變等與時(shí)間有關(guān)的破壞模式而產(chǎn)生的，危害性較大，必須予以消除處理。

綜上所述，以上在設(shè)計(jì)、安裝、資料管理、運(yùn)行、檢驗(yàn)等方面提出些許建議，還在定期檢驗(yàn)的接管檢測(cè)、球罐安裝的硬度抽查等細(xì)節(jié)上給出了一些參考。