柴軍輝* 李斌彬 錢盛杰 胡 健 胡 永

（1.寧波市特種設備檢驗研究院 2.寧波市勞動安全技術(shù)服務公司 3.中海石油寧波大榭石化有限公司）

0 引言

丙烯是三大合成材料（塑料、合成橡膠、合成纖維）的基本原料。近年來，丙烯化工工業(yè)及其下游產(chǎn)品發(fā)展迅速，極大地促進了國內(nèi)丙烯需求量和產(chǎn)能的快速增長，同時全國各地也設置了很多用于存儲丙烯的球罐。寧波某石化公司餾分油綜合利用項目于2016 年7 月前后相繼建成投用了10 臺3 000 m3丙烯球罐，其具體參數(shù)可見表1，建造簡圖可見圖1。

在設計初期階段（2013 年），如果僅考慮常溫操作工況，丙烯球罐常用主體材料為Q345R 及Q370R等。但設計時還要考慮低溫事故工況，丙烯在泄漏工況下的氣化溫度最低能達到-47.7 ℃。為了保證球罐的本質(zhì)安全，因此決定選擇強度和韌性較高的07MnNiMoDR 鋼板作為丙烯球罐的主體材料，該鋼材可適用于-50 ℃低溫工況。但經(jīng)建設單位調(diào)研發(fā)現(xiàn)，設計溫度為-50～50 ℃的大型丙烯球罐長期以來主要采用國外球片或鋼板（如日本的610U2）進行建造，當時還沒有國產(chǎn)低溫高強鋼（07MnNiMoDR）在3 000 m3球罐中的使用案例，但在2 000 m3球罐的使用中已有成功案例。因此當時該公司面臨2 個選擇：（1）使用進口板材，當時進口板材與國產(chǎn)板材總差價超過1 000 萬人民幣；（2）將10 臺3 000 m3球罐改成15 臺2 000 m3球罐，而增加的鉆孔灌注樁費和板材費就需要近600 萬人民幣，同時還要增加占地面積并重新進行項目申報。由于610U2 鋼硬度大，含碳量低，可焊性能差，對氫致冷裂紋敏感性高，淬硬性傾向大，焊接工藝比較復雜[1-2]，該公司經(jīng)過研究后慎重決定，實現(xiàn)國內(nèi)大型低溫球罐用板材的國產(chǎn)化，同時節(jié)省投資，減少占地面積，縮短建設工期，該項目新建的10 臺3 000 m3丙烯球罐均使用國產(chǎn)07MnNiMoDR 低溫高強鋼。這10 臺首批國產(chǎn)07MnNiMoDR 鋼制3 000 m3丙烯球罐于2016 年7 月前后相繼建成并投入使用。

表1 丙烯球罐基本信息參數(shù)表

圖1 3 000m3丙烯球罐建造簡圖

1 檢驗檢測情況

使用標準抗拉強度下限值大于540 MPa 的低合金鋼制球形儲罐，投用1 年后應當進行開罐檢驗[3]。2017 年5 月，該石化公司首次申報開罐檢驗。這是國內(nèi)首批國產(chǎn)07MnNiMoDR 鋼制3 000 m3丙烯球罐服役后的首次開罐檢驗，寧波市特種設備檢驗研究院第一時間組成檢驗項目組，委派資深檢驗師負責編制該批球罐的檢驗方案并實施現(xiàn)場檢驗檢測工作。

隨機調(diào)取了該批球罐某段時間內(nèi)的介質(zhì)進行取樣分析結(jié)果，詳見表2。介質(zhì)中丙烯的體積分數(shù)基本在99.7%以上，硫含量基本控制在0.5 mg/kg 左右，一般部位濕硫化氫應力腐蝕開裂傾向不明顯。

損傷模式識別情況主要包括：在焊接接頭等高硬度、高應力集中部位及其附近的濕硫化氫應力腐蝕開裂情況；在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處、焊接接頭、高殘余應力、高應力集中等缺口處于低溫環(huán)境下的低溫脆斷情況；金屬表面裸露在大氣中發(fā)生的大氣腐蝕情況[4]。

丙烯屬于爆炸危險介質(zhì)[5]，設備失效后且介質(zhì)泄漏將導致火災、爆炸，甚至人員傷亡等危害。

檢驗項目組根據(jù)10 臺球罐的使用情況、損傷模式及失效模式，編制了專項檢驗方案。檢驗項目包括資料審查、宏觀檢驗、壁厚測定、表面缺陷檢測（磁粉檢測、滲透檢測）、埋藏缺陷檢測（超聲波檢測、TOFD 檢測）、硬度檢測、金相檢測、安全附件檢驗及泄漏試驗。在現(xiàn)場檢測開始之前調(diào)取了設計時的應力分析報告，并決定對最先檢測的球罐進行電磁超聲殘余應力測試和磁記憶檢測，為檢測重點部位篩選提供依據(jù)。

調(diào)取設計時的應力分析報告，該球罐部分有限元分析結(jié)果可見圖2、圖3、圖4。分析結(jié)果顯示除柱腿角焊縫及其附近部位以及各接管，尤其是球罐人孔接管及其附近部位應力分布較集中外，其余部位應力分布都比較均勻，應力集中部位必須作為檢驗檢測重點部位。

表2 介質(zhì)取樣分析結(jié)果

圖2 球罐正常工況下的載荷和位移約束邊界條件分布示意圖

圖3 球罐正常操作工況下應力強度分布結(jié)果

圖4 正常操作工況下球罐人孔及其附近部位應力強度分布結(jié)果

對最先開罐檢驗的G2402 球罐應力集中部位進行了局部磁記憶檢測，檢測后發(fā)現(xiàn)該球罐中36 條對接焊縫共存在79 處存在異常信號（懷疑應力集中部位）。對這79 處異常信號所在部位及其附近部位加強檢驗檢測，發(fā)現(xiàn)1 處宏觀機械接觸損傷超標缺陷。該罐整體狀況良好，無損檢測后僅在外表面柱腿角焊縫熱影響區(qū)發(fā)現(xiàn)一處長10 mm 的表面裂紋，因此對該罐進行磁記憶檢測則意義不大。

采用電磁超聲雙折射應力檢測方式對G2404球罐進行局部殘余應力檢測，檢測部位應力值為87～193 MPa。從檢測結(jié)果來看，該球罐的整體應力分布較均勻，上下拼板區(qū)域以及柱腿周圍檢測點的應力值相較其他部位略大一些，但殘余應力檢測點中最大應力值并未超過200 MPa，處于高強度低合金鋼的彈性范圍內(nèi)。

經(jīng)過近半年的現(xiàn)場檢驗檢測，于2017 年12 月底完成了10 臺丙烯球罐的全部開罐檢驗工作，檢驗情況匯總及需要處理的缺陷匯總情況可見表3、表4，典型裂紋形貌可見圖5。

表3 檢驗情況匯總表

表4 需要處理的缺陷匯總表

圖5 典型裂紋形貌

2 原因分析

經(jīng)宏觀檢驗共發(fā)現(xiàn)20 處需要處理的缺陷，主要包括內(nèi)表面工卡具焊跡、機械接觸損傷、凹坑以及咬邊，除凹坑外其余缺陷大多是焊工作業(yè)不規(guī)范或者工藝規(guī)范執(zhí)行不嚴格導致的，介質(zhì)中的水會使罐體薄弱部位形成腐蝕凹坑。

經(jīng)磁粉檢測后共發(fā)現(xiàn)86 條表面裂紋缺陷（大多為垂直于焊縫的熱影響區(qū)橫向裂紋），其中熒光磁粉檢測發(fā)現(xiàn)的內(nèi)表面裂紋共24 條。經(jīng)分析，該球罐球殼板和柱腿材質(zhì)均為07MnNiMoDR，為典型的高強度低溫球罐用鋼（-50 ℃低溫沖擊、抗拉強度Rm下限達到610 MPa）。球殼板厚度為48 mm，按符合規(guī)定的鋼板化學成分計算其冷裂紋敏感指數(shù)Pcm最高可達0.19%，冷裂紋敏感性Pw最高可達0.295，當Pw＞0 時，即表示材料有產(chǎn)生裂紋的可能性[6]。冷裂紋（延遲裂紋）的產(chǎn)生主要與焊縫含擴散氫、接頭所承受的拉應力以及由材料淬硬傾向決定的金屬塑性儲備有關(guān)。制造工藝要求焊前預熱（推薦預熱溫度T ≥150 ℃）和焊后消氫處理（溫度為200～250 ℃，保溫時間為1 h），焊前未預熱、預熱溫度不夠以及焊后消氫處理不當都可能導致設備產(chǎn)生冷裂紋。由于焊縫含碳量少，缺口敏感性低，而近縫區(qū)晶粒粗大，過飽和空位濃度高，應力集中程度高，因此近縫區(qū)（熱影響區(qū)）更易產(chǎn)生冷裂紋，其中外表面相較于內(nèi)表面更容易產(chǎn)生冷裂紋。

經(jīng)超聲檢測/ TOFD 檢測共發(fā)現(xiàn)9 處超標缺陷，主要類型包括未熔合、未焊透、條渣、裂紋以及密集氣孔等，產(chǎn)生原因為焊工作業(yè)不規(guī)范或者工藝規(guī)范執(zhí)行不嚴格。

3 處理方法

宏觀檢驗發(fā)現(xiàn)需要處理的20 處內(nèi)表面缺陷均經(jīng)打磨至與母材齊平或邊緣圓滑過渡，修磨深度均未超過1 mm，缺陷若圓滑過渡則無需補焊，修磨部位需經(jīng)熒光磁粉檢測合格。

磁粉檢測發(fā)現(xiàn)的86 條表面裂紋缺陷均經(jīng)打磨消除采用經(jīng)原檢測方法復驗后合格，修磨深度均未超過1 mm，打磨消除圓滑過渡后無需補焊。

超聲檢測/TOFD 檢測中發(fā)現(xiàn)的2 臺球罐上的9處超標缺陷均由原現(xiàn)場組焊單位按原制造工藝進行補焊返修?？紤]到現(xiàn)場天氣因素對焊接質(zhì)量的影響，修理單位選擇從內(nèi)表面進行補焊返修。其中1 處缺陷返修深度（11.5mm）并未達到1/3 壁厚，且未超過13 mm，其余缺陷返修深度均超過1/2 壁厚。這2 臺球罐的所有補焊返修工作均由原現(xiàn)場持證焊工用原牌號焊材按原焊接工藝完成，嚴格執(zhí)行焊前預熱，焊接完畢后立即進行消氫處理，補焊部位均經(jīng)過局部熱處理（推薦焊后熱處理溫度為580±15 ℃，保溫時間為2.25 h，加熱溫度升至400 ℃以上時控制升溫速度為50～80 ℃/h，降溫速度為30～50 ℃/ h）等要求。

返修檢查檢測控制方法如下：缺陷清除后進行100%熒光磁粉檢測確認缺陷已清除干凈，焊接完成36 h 后進行100%熒光磁粉+100%超聲+100%TOFD檢測，熱處理后再次進行100%熒光磁粉檢測，耐壓試驗后再次進行100%熒光磁粉檢測，目視檢查補焊焊接接頭表面不得有裂紋、咬邊、氣孔、弧坑和夾渣等缺陷，并不得保留有熔渣或飛濺物，不應有急劇的形狀變化，補焊焊接接頭表面應打磨至與母材平齊，返修無損檢測的合格級別應與制造時相同。由于這2個球罐返修后需要重新進行熱處理和耐壓試驗，因此需要進行返修監(jiān)檢。

4 預防措施及建議

本次球罐檢驗總體狀況良好，分析原因主要包括以下幾方面：

（1）采用分析設計可使罐體結(jié)構(gòu)合理、安全性高，焊接接頭余高磨平的同時一并打磨消除了焊縫上的微裂紋。

（2）為了保證焊接質(zhì)量，在使用國產(chǎn)板材的同時仍然采用日本進口焊材。

（3）寶山鋼鐵股份有限公司生產(chǎn)的07MnNiMoDR低溫高強鋼板化學成分（熔煉分析）、力學性能以及彎曲性能等各項參數(shù)指標均達到了國際領先水平。

（4）寧波鞍容壓力容器有限公司很好地解決了單片面積大于30 m2的球殼板壓制回彈率較大等難點。

（5）采用的三帶混合式結(jié)構(gòu)相比較四帶結(jié)構(gòu)減少了中間大環(huán)縫的焊接工作量，有利于提高焊接質(zhì)量。

（6）接管與球殼板連接采用對接接頭，受力狀況較好，可以大大降低開孔后的應力集中程度，且便于進行埋藏缺陷檢測，使接管焊縫質(zhì)量得到了保證。

（7）基本能做到焊前預熱均勻和焊后消氫處理，焊接時在焊縫部位局部預熱（T 為150～157 ℃），適當降低焊件的剛度，可以使焊縫比較自由地收縮，預熱處理是減小殘余應力和避免產(chǎn)生淬硬性組織的有效方法，焊后消氫處理（T 為200～250 ℃，保溫時間為1 h）可使氫充分溢出，降低了焊接接頭和熱影響區(qū)中擴散氫的含量和延遲裂紋的產(chǎn)生幾率。

（8）根據(jù)球罐排版和焊縫位置分布圖，合理安排焊接順序，對稱布置焊工，先焊赤道帶，再焊上、下極帶，先焊縱縫，后焊環(huán)縫，同一焊縫先焊大坡口（外）一側(cè)，再焊小坡口（內(nèi)）一側(cè)，可以減少焊接變形和焊接殘余應力，有效保證了焊縫質(zhì)量。

（9）安裝（制造）時需進行100%TOFD+20%射線檢測，確保不會遺漏焊接埋藏缺陷。

（10）使用介質(zhì)純度高，硫含量低，設備濕硫化氫損傷傾向不明顯。

通過對07MnNiMoDR 鋼焊接工藝和冷裂紋（延遲裂紋）產(chǎn)生原因進行分析可知，如果嚴格按照焊接工藝規(guī)程和焊接質(zhì)保體系規(guī)范操作，包括按要求進行焊前預熱和焊后消氫處理，并控制焊接焊接線能量不大于35 kJ/cm，可以降低氫在焊縫中的聚集程度，有效控制冷裂紋（延遲裂紋），根據(jù)以上原因提出了幾條預防措施：

（1）焊條中的水分是焊縫中氫的主要來源，因此焊條一定要采用高溫烘干，烘干溫度一般為350～400 ℃，焊條取出時一定要用保溫筒，并且保溫筒內(nèi)的焊條必須在4 h 內(nèi)用完，另外，施焊環(huán)境要特別注意，潮濕天氣盡量避免施焊。

（2）多道焊接時，上層焊道焊接完成后如要清除夾渣，焊接時，層間溫度應保持在250 ℃左右。

（3）避免強力組焊，錯邊量或者間隙比較大的部位不能直接施焊，以免造成殘余應力偏高和產(chǎn)生焊接缺陷。

5 結(jié)論

鋼制球形儲罐目前向著高參數(shù)、大容積的方向發(fā)展，因此對設備的組焊和使用要求也越來越高。通過開罐檢驗發(fā)現(xiàn)的問題，可以得出如下結(jié)論：

（1）在檢驗07MnNiMoDR 鋼或者其他高強鋼制球罐時，要特別注意熱影響區(qū)等部位，因為冷裂紋通常出現(xiàn)在這些區(qū)域，且外表面磁粉檢測比例可以適當提高，因為外表面相較于內(nèi)表面更容易產(chǎn)生冷裂紋；

（2）當介質(zhì)中硫化氫質(zhì)量分數(shù)超過50×10-6時，需重點關(guān)注球罐內(nèi)表面濕硫化氫損傷。

（3）首次開罐檢驗時，一定要將所有制造（安裝）遺留的宏觀缺陷檢出并處理合格，因為機械接觸損傷、工卡具焊跡等缺陷部位非常容易成為表面裂紋的發(fā)展源。

（4）埋藏缺陷檢測很重要，因為氣孔、夾渣、未熔合、未焊透等體積型缺陷的檢出與處理可以避免氫氣在缺陷部位聚集，甚至發(fā)展成為裂紋。

（5）應重點對硬度超過220HB 的部位進行表面無損檢測，因為材料淬硬傾向是其產(chǎn)生冷裂紋的主要因素之一。

（6）盡量選用黑磁粉檢測來進行外表面無損檢測，選用磁粉檢測來進行內(nèi)表面無損檢測，選用超聲波檢測與TOFD 檢測組合來進行埋藏缺陷檢測。