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。
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。
(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。
(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。
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。