吳澤民 戴 光 周國強(qiáng)

（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院）

球罐常用于存儲(chǔ)液化石油氣（LPG）、液化天然氣等物料， 是石化行業(yè)常用的壓力容器之一。球罐主要由球殼、支撐和附件組成，其中支撐形式分為柱式支撐和裙式支撐，目前絕大多數(shù)球罐采用的是赤道正切支柱式支撐。 對(duì)于柱式支撐球罐來說，支柱與球殼的連接焊縫支撐著整個(gè)球體和存儲(chǔ)物料的重量，因此保證焊縫的焊接質(zhì)量至關(guān)重要。

對(duì)于敷設(shè)在滑坡、地震等地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)地區(qū)或軟土地基上的球罐，在長(zhǎng)期使用過程中地基常常產(chǎn)生不均勻沉降，而沉降會(huì)使球罐各支柱受力不均勻， 并在支柱與球殼連接部位產(chǎn)生附加應(yīng)力，最終導(dǎo)致支柱角焊縫開裂，從而嚴(yán)重影響球罐的使用安全［1］。為此，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)基礎(chǔ)不均勻沉降下球罐的應(yīng)力分析、無損檢測(cè)及安全評(píng)定等方面進(jìn)行了大量研究，高紅利等采用有限元方法分析了基礎(chǔ)不均勻沉降對(duì)球罐應(yīng)力的影響［1］，并對(duì)支柱與球殼連接接頭部位進(jìn)行了應(yīng)力測(cè)試［2］；Zhang B Y 等數(shù)值模擬了球罐在外爆載荷下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與失效情況，得到了球罐內(nèi)流體對(duì)響應(yīng)的影響規(guī)律［3］；李志海等通過建立彈塑性球罐模型來探討非線性對(duì)支柱應(yīng)力的影響，進(jìn)而對(duì)球罐是否可以繼續(xù)使用進(jìn)行了評(píng)定［4］。 無損檢測(cè)在保證球罐焊縫質(zhì)量方面具有重要作用，王金勇等在分析各種檢測(cè)方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上制定了在役球罐的無損檢測(cè)方案［5］，也嘗試將超聲衍射時(shí)差法和相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于球罐裂紋缺陷的定量檢測(cè)［6］。

考慮到支柱連接部位的空間位置和結(jié)構(gòu)形式，常規(guī)的磁粉和滲透檢測(cè)首先需要對(duì)待測(cè)表面進(jìn)行除漆打磨，導(dǎo)致對(duì)角焊縫實(shí)施檢測(cè)有諸多不便且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。 為此， 筆者將交流電磁場(chǎng)檢測(cè)（Alternating Current Field Measurement，ACFM）方法引入到空間狹小的球罐支柱角焊縫檢測(cè)中，以期獲得良好的檢測(cè)效果。

1 ACFM 檢測(cè)方法

1.1檢測(cè)原理

ACFM 技術(shù)是以交流電位差技術(shù)為基礎(chǔ)，融合渦流檢測(cè)特點(diǎn)而發(fā)展形成的一種新興電磁無損檢測(cè)技術(shù)［7，8］。 其檢測(cè)原理如圖1 所示，帶有激勵(lì)系統(tǒng)的感應(yīng)探頭產(chǎn)生均勻的電流場(chǎng)，在工件表面產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，當(dāng)存在裂紋缺陷時(shí)，會(huì)使交變磁場(chǎng)發(fā)生畸變，通過檢測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化判斷工件表面是否存在裂紋。 檢測(cè)時(shí)，探頭的掃描方向與裂紋方向平行即沿x 軸方向，y 軸與裂紋面垂直， 則水平分量Bx信號(hào)反映缺陷的深度信息，垂直分量Bz信號(hào)的正、 負(fù)峰值表征缺陷的長(zhǎng)度信息。 基于建立的磁場(chǎng)模型算法，通過兩個(gè)相互正交的磁場(chǎng)變化量可以實(shí)現(xiàn)缺陷大小的定量檢測(cè)。

圖1 ACFM 檢測(cè)原理示意圖

可見，ACFM 檢測(cè)方法具有非接觸測(cè)量、檢測(cè)速度快、準(zhǔn)確率高、定性定量一次性完成及檢測(cè)結(jié)果可由計(jì)算機(jī)圖形顯示等諸多優(yōu)點(diǎn)。

1.2檢測(cè)系統(tǒng)

ACFM 檢測(cè)系統(tǒng)（圖2）主要包括掃描探頭、ACFM 主機(jī)和檢測(cè)軟件［9］，其中用于角焊縫檢測(cè)的探頭選用小型筆型探頭，ACFM 主機(jī)為AMIGO金屬裂紋檢測(cè)儀， 軟件為ASSISTant ACFM 檢測(cè)分析軟件。

圖2 ACFM 檢測(cè)系統(tǒng)框圖

檢測(cè)時(shí)，掃描探頭在被檢對(duì)象表面激勵(lì)出均勻交變電流，并獲取其表面所引起的磁場(chǎng)信號(hào)變化， 系統(tǒng)軟件將實(shí)時(shí)顯示磁信號(hào)的連續(xù)變化曲線，并對(duì)檢測(cè)信號(hào)曲線進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)被檢工件表面裂紋缺陷的智能分析與識(shí)別。

2 支柱角焊縫ACFM 檢測(cè)

某石化處理終端LPG 球罐容積為2 500m3，結(jié)構(gòu)為赤道正切柱式支撐，支柱數(shù)為10 個(gè)，2016年定檢時(shí)發(fā)現(xiàn)其基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降，相鄰支柱沉降差值較大，嚴(yán)重超出GB 12337—2014《鋼制球形儲(chǔ)罐》中對(duì)沉降量的規(guī)定要求。 為保證球罐能夠繼續(xù)安全運(yùn)行，利用ACFM 檢測(cè)技術(shù)對(duì)支柱角焊縫進(jìn)行無損檢測(cè)。

2.1檢測(cè)方法

為方便記錄并出具報(bào)告， 將球罐的10 個(gè)支柱按逆時(shí)針編號(hào)排序，如圖3 所示。

圖3 球罐支柱編號(hào)

由于支柱角焊縫區(qū)操作空間有限，且焊縫長(zhǎng)度較長(zhǎng)，將檢測(cè)區(qū)分成 4 段（圖4），對(duì) a 段、b 段、c 段和d 段分別進(jìn)行檢測(cè)。

圖4 支柱角焊縫分段檢測(cè)示意圖

根據(jù)支柱角焊縫區(qū)的結(jié)構(gòu)需要，選用體積較小的筆型探頭進(jìn)行檢測(cè)， 將探頭連接到主機(jī)后，先使用標(biāo)準(zhǔn)試板對(duì)儀器和探頭進(jìn)行校核，以確保ACFM 整套系統(tǒng)運(yùn)行正常，滿足檢測(cè)精度要求，測(cè)試信號(hào)曲線如圖5 所示。

基于 ASTM E2261/E2261M—2012《Standard Practice for Examination of Welds Using the Alternating Current Field Measurement Technique》，檢測(cè)時(shí)，探頭掃描方向一般與支柱角焊縫的方向平行，掃描速度會(huì)對(duì)檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生直接影響，應(yīng)盡量控制速度平穩(wěn)，探頭與待檢測(cè)焊縫焊趾處于貼合狀態(tài)?？紤]到支柱角焊縫寬度約為40mm，探頭在平行焊縫方向分3 次進(jìn)行掃描，以保證覆蓋整個(gè)焊縫寬度，如圖4 所示。 在對(duì)焊縫進(jìn)行分段掃描時(shí)， 為防止邊緣效應(yīng)和提離效應(yīng)所導(dǎo)致的漏檢，各段至少保證50mm 長(zhǎng)度的重疊掃描；對(duì)于焊縫中的橫向裂紋采用“Z”形掃描［10］，記錄每次Bx曲線峰值時(shí)焊縫中對(duì)應(yīng)的標(biāo)記位置，最后將標(biāo)記點(diǎn)連接起來確定裂紋的走向。

圖5 ACFM 標(biāo)準(zhǔn)試板測(cè)試信號(hào)曲線

檢測(cè)過程中，軟件系統(tǒng)將自動(dòng)存儲(chǔ)探頭掃描的信號(hào)曲線，并具有重放功能，便于后續(xù)查看與分析。

2.2檢測(cè)結(jié)果及分析

對(duì)基礎(chǔ)不均勻沉降球罐的10 個(gè)支柱角焊縫全部進(jìn)行ACFM 檢測(cè)。在檢測(cè)過程中于5#支柱的d 段部位發(fā)現(xiàn)了一處可疑裂紋缺陷指示， 經(jīng)重復(fù)掃描該區(qū)域， 確認(rèn)可疑裂紋的具體位置， 如圖6所示。

圖6 可疑裂紋位置

為了給下一步的安全評(píng)定提供參考依據(jù)，需要對(duì)可疑裂紋缺陷的尺寸參數(shù)進(jìn)行定量評(píng)估。 根據(jù)原始曲線Bz信號(hào)中波谷與波峰所對(duì)應(yīng)的焊縫標(biāo)記點(diǎn)，得到裂紋的長(zhǎng)度估計(jì)值；系統(tǒng)軟件根據(jù)理論模型對(duì)裂紋長(zhǎng)度進(jìn)行補(bǔ)償，最終計(jì)算得出裂紋長(zhǎng)13mm、深2.2mm，如圖7 所示。

為進(jìn)一步驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果的可靠性，對(duì)可疑裂紋區(qū)表面進(jìn)行打磨處理，使用磁粉檢測(cè)（Magnetic particle Testing，MT） 方法對(duì)焊縫裂紋進(jìn)行校驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果為線性缺陷顯示，線性缺陷磁痕長(zhǎng)度約12～13mm，焊縫接頭質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ級(jí)。 對(duì)裂紋部位進(jìn)行打磨并圓滑過渡處理， 測(cè)量裂紋深度在2.0～2.5mm 之間， 從而驗(yàn)證了 ACFM 方法的準(zhǔn)確性，復(fù)驗(yàn)時(shí)未再出現(xiàn)缺陷顯示。

根據(jù)GB 12337—2014 的要求， 需要對(duì)該缺陷部位進(jìn)行必要的補(bǔ)焊， 之后再次進(jìn)行檢測(cè)，直至合格后方可繼續(xù)使用。

3 基于基礎(chǔ)沉降的球罐有限元應(yīng)力分析

經(jīng)調(diào)研， 該球罐建造在沿?；靥钔粱希L(zhǎng)期運(yùn)行后基礎(chǔ)不可避免地發(fā)生沉降。2016 年定檢時(shí)，球罐各支柱沉降差量見表1。 以1#支柱為測(cè)量基準(zhǔn)， 可見相鄰支柱沉降最大差值達(dá)到12.6mm。

圖7 裂紋缺陷尺寸計(jì)算

表1 基礎(chǔ)不均勻沉降差量

利用ABAQUS 軟件建立球罐的有限元模型，如圖8 所示。

圖8 球罐有限元模型

根據(jù)球罐的實(shí)際工作狀況，所施加的載荷包括重力載荷，球殼、支柱、拉桿及附件的重力、氣壓載荷，液化石油氣上方的油氣壓、液壓載荷，以及液化石油氣的重力對(duì)球罐內(nèi)表面的作用。 有限元模型的邊界條件基于支柱基礎(chǔ)不均勻沉降量來控制，通過對(duì)球罐支柱的底面設(shè)定沿軸向下的位移來實(shí)現(xiàn)支柱間不同沉降量的設(shè)定。 經(jīng)計(jì)算，球罐支柱、球殼的應(yīng)力分布云圖如圖9、10 所示。可以看出，在基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降后，球罐各支柱的應(yīng)力分布很不均勻，1#、3#、5#、9#支柱產(chǎn)生了較大的壓應(yīng)力，尤其是5#支柱與球殼連接的角焊縫區(qū)應(yīng)力值已達(dá)到110.7MPa。在此情況下，當(dāng)風(fēng)、雪等環(huán)境載荷與工作壓力疊加作用時(shí)，有可能超過材料的許用應(yīng)力，造成局部結(jié)構(gòu)破壞。

圖9 支柱應(yīng)力分布云圖

圖10 球殼應(yīng)力分布云圖

4 支柱角焊縫裂紋形成的原因分析

4.1焊材方面

查閱球罐建造資料得知，該球罐現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)除了打底焊使用φ3.2mm 的焊條之外， 其余均使用φ4.0mm 焊條且擴(kuò)散氫含量均為6.46mL/100g，超出 GB 12337—2014 中不大于 6mL/100g 的要求。 擴(kuò)散氫過多會(huì)在焊縫中引起氫脆、延遲裂紋等缺陷，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生低應(yīng)力裂紋。

4.2焊接工藝質(zhì)量

球罐支柱與球殼的連接采用角焊接結(jié)構(gòu)，受結(jié)構(gòu)的影響，只能在支柱側(cè)開V 形坡口，采用單面焊接雙面成型的焊接工藝。 這種焊接工藝容易在背面形成未熔合缺陷， 焊縫內(nèi)部形成氣孔、夾渣等缺陷。 這些缺陷在球罐長(zhǎng)期使用過程中，受交變載荷作用容易形成支柱角焊縫裂紋。

5 結(jié)論

5.1將ACFM 檢測(cè)技術(shù)成功應(yīng)用于基礎(chǔ)不均勻沉降下球罐支柱角焊縫的裂紋缺陷檢測(cè)， 經(jīng)MT定性定量驗(yàn)證， 證實(shí)了該方法的有效性和可靠性。

5.2通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及應(yīng)用結(jié)果表明， 所提出的ACFM 檢測(cè)方法可滿足免除漆工序、 提高檢測(cè)效率、對(duì)缺陷定量化、受外因干擾影響小等現(xiàn)場(chǎng)使用要求，為空間狹小的角焊縫無損檢測(cè)提供了一種新的有效、便捷方法。

5.3基礎(chǔ)不均勻沉降使支柱與球殼連接處角焊縫產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，當(dāng)角焊縫質(zhì)量難以保證時(shí)，在外部因素、工況載荷等作用下容易產(chǎn)生裂紋等缺陷，應(yīng)作為無損檢測(cè)的重點(diǎn)檢查部位。