孫 順

（內(nèi)蒙古大唐國(guó)際克什克騰煤制天然氣有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古赤峰 025350）

0 引言

內(nèi)蒙古大唐國(guó)際克什克騰煤制天然氣有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱克旗公司）在役使用的一臺(tái)2000 m3液氨球罐于2010年10 月制作完成，2013 年7 月投用，設(shè)計(jì)及制造單位均為蘭州蘭石機(jī)械設(shè)備有限公司，現(xiàn)場(chǎng)安裝單位為四川省工業(yè)設(shè)備安裝公司球罐專業(yè)公司。球罐現(xiàn)場(chǎng)安裝完成后對(duì)所有A、B 類焊接接頭進(jìn)行了100%射線檢測(cè)，并進(jìn)行了20%超聲復(fù)檢，同時(shí)對(duì)A、B、D 類接頭內(nèi)外表面進(jìn)行了100%磁粉檢測(cè)。該球罐在2019 年10 月由赤峰特檢所進(jìn)行定期檢驗(yàn)，檢驗(yàn)采用下半球100%超聲波檢測(cè)加100%熒光磁粉檢測(cè)和TOFD（Time Of Flight Diffraction，超聲波衍射時(shí)差法）探傷抽檢的方式，在檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一處大面積表面樹枝狀裂紋。發(fā)現(xiàn)裂紋后，檢驗(yàn)單位根據(jù)規(guī)定對(duì)球罐進(jìn)行擴(kuò)大檢驗(yàn)，對(duì)內(nèi)部進(jìn)行全面檢驗(yàn)。同時(shí)克旗公司馬上組織赤峰特檢所、合肥通用機(jī)械研究所、蘭州蘭石機(jī)械設(shè)備有限公司、湖南湘東化工機(jī)械有限公司相關(guān)專家對(duì)發(fā)現(xiàn)裂紋的成因進(jìn)行分析，并制定了詳細(xì)的修復(fù)方案組織修復(fù)。

1 裂紋成因分析

1.1 球罐技術(shù)參數(shù)

內(nèi)經(jīng)：15 700 mm；公稱容積：2000 m3；設(shè)計(jì)壓力：2.0 MPa；設(shè)計(jì)溫度：-19～50 ℃；介質(zhì)：液氨；材料：Q370R；壁厚：52 mm；容器類別：3 類。

1.2 裂紋部位及外觀

裂紋所在焊縫位于球罐赤道板與下溫帶板的T 形焊縫處，裂紋形態(tài)為樹枝狀，面積約為300 mm×70 mm，深度5～10 mm。裂紋起源于焊縫的熔合線，向母材延伸，整體為橫向裂紋。裂紋擴(kuò)展中有分叉，具有典型的應(yīng)力腐蝕裂紋特征。

1.3 裂紋成因分析

（1）對(duì)裂紋區(qū)域焊縫與非裂紋區(qū)域焊縫進(jìn)行硬度檢測(cè)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)裂紋區(qū)域焊縫硬度沒有明顯增加，因此基本可排除局部焊接工藝不規(guī)范或熱處理控制不到位，造成該處焊接殘余應(yīng)力過大的情況。

（2）裂紋所在焊縫位于赤道板與下溫帶板的T 形焊縫處，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)此處球板有組對(duì)夾具焊接的痕跡，存在強(qiáng)行組對(duì)焊接的情況。強(qiáng)行組對(duì)會(huì)在球罐的組對(duì)焊縫中造成很高的拘束應(yīng)力。同時(shí)在焊接過程中產(chǎn)生的焊接熱應(yīng)力和組織應(yīng)力使焊縫中不可避免地產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，使球罐具備了發(fā)生應(yīng)力腐蝕的條件。

（3）純凈的液氨（NH3）對(duì)碳鋼或低合金鋼只產(chǎn)生很輕微的均勻腐蝕，但液氨球罐在充裝、排料、檢修過程中容易受到空氣污染，混入氧氣（O2）及二氧化碳（CO2），其反應(yīng)如下：

上述反應(yīng)使金屬表面形成鈍化膜，在拉應(yīng)力的作用下，鈍化膜產(chǎn)生破裂，造成應(yīng)力腐蝕開裂。

2 裂紋修復(fù)方案

2.1 裂紋修復(fù)程序

（1）通過對(duì)該球罐缺陷的觀察、分析，缺陷屬于表面應(yīng)力腐蝕裂紋，位置在赤道板與溫帶板的T 形焊縫處，裂紋深度5～10 mm，因此選擇碳弧氣刨加打磨的方法對(duì)缺陷進(jìn)行清理，再采用電焊補(bǔ)焊的修復(fù)方法進(jìn)行缺陷修復(fù)。

（2）缺陷在焊接修復(fù)后必須經(jīng)過外觀檢查、熒光磁粉探傷、超聲探傷、TOFD 探傷合格后，才能確認(rèn)焊縫返修合格。

具體修復(fù)順序如下：①熒光磁粉探傷確認(rèn)缺陷范圍；②超聲波檢測(cè)缺陷深度；③碳弧氣刨對(duì)缺陷進(jìn)行清除；④熒光磁粉檢測(cè)，確認(rèn)裂紋清除完畢；⑤補(bǔ)焊前進(jìn)行焊縫預(yù)熱；⑥對(duì)缺陷部位進(jìn)行電焊焊補(bǔ)處理；⑦進(jìn)行補(bǔ)焊后后熱消氫處理；⑧對(duì)補(bǔ)焊修復(fù)部位進(jìn)行磁粉檢測(cè)、超聲波探傷和TOFD 探傷檢測(cè)；⑨對(duì)補(bǔ)焊部位進(jìn)行局部熱處理。

2.2 焊條的選擇及烘干

（1）此次球罐表面裂紋修復(fù)選用低氫型J557RH 焊條，焊條規(guī)格為Φ4.0 mm。采購(gòu)的焊條必須具有質(zhì)量證明書，并在到場(chǎng)后按批號(hào)進(jìn)行化學(xué)成分及力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)。復(fù)驗(yàn)的焊條熔敷金屬化學(xué)成分見表1，焊條熔敷金屬力學(xué)性能見表2。其中，焊條熔敷金屬擴(kuò)散氫含量（水銀法）≤4.0 mL/100 g，藥皮含水量≤0.15%。

表1 焊條熔敷金屬化學(xué)成分%

表2 焊條熔敷金屬力學(xué)性能（620 ℃×1 h 回火）

（2）焊條使用前要進(jìn)行烘干，此次焊條烘干采用ZYH-100 型焊條烘干箱，烘干溫度設(shè)置在380～400 ℃，烘干時(shí)間設(shè)定為1 h。

（3）焊條烘干時(shí)，要在烘箱內(nèi)溫度為常溫時(shí)將焊條放入烘箱，再緩慢升高烘箱內(nèi)溫度。待焊條烘干后不得突然冷卻，要保存在溫度為100～150 ℃恒溫箱或焊條筒中隨用隨取，取用時(shí)要遵照先放先取的使用原則，同時(shí)要認(rèn)真檢查，確保焊條表面藥皮無明顯的裂紋和脫落的情況。

2.3 裂紋焊接修復(fù)

（1）球罐缺陷采用碳弧氣刨進(jìn)行清除，依據(jù)超聲檢測(cè)和磁粉復(fù)驗(yàn)確定缺陷區(qū)域。氣刨前對(duì)待氣刨區(qū)域左右150 mm 內(nèi)預(yù)熱100～150 ℃，在缺陷長(zhǎng)度頭尾兩端垂直氣刨出80 mm 的止裂槽，然后沿著長(zhǎng)度方向缺陷外側(cè)，平行刨出兩條長(zhǎng)300 mm 止裂槽，形成一個(gè)“口”字形止裂槽，將裂紋包圍在止裂槽內(nèi)，氣刨的深度超過探傷缺陷深度，用砂輪機(jī)將止裂槽打磨干凈后做磁粉探傷，確認(rèn)裂紋情況。止裂槽內(nèi)正常母材側(cè)不能有裂紋，如有裂紋，則在現(xiàn)有止裂槽外側(cè)擴(kuò)寬，直到無裂紋為止。外圍止裂槽刨好并預(yù)熱完，沿300 mm 長(zhǎng)裂紋區(qū)，每隔100 mm 刨出80 mm垂直止裂槽，深度按探傷缺陷最深數(shù)值氣刨。熒光磁粉探傷檢查槽底有無裂紋，如有則繼續(xù)深挖，初步確定槽底無裂紋為止，然后沿長(zhǎng)度方向選一頭往缺陷區(qū)域氣刨，直至刨完缺陷區(qū)域。對(duì)內(nèi)部缺陷的清除,采用砂輪機(jī)磨削,逐層剝除的方法,缺陷清除后,經(jīng)熒光磁粉探傷合格后方可進(jìn)行補(bǔ)焊處理。

（2）焊接前，需要在焊件的焊接側(cè)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱區(qū)域?yàn)橐院秆a(bǔ)部位為中心，在半徑為100 mm 的范圍內(nèi)。預(yù)熱采用硅板預(yù)熱器，并準(zhǔn)確安裝在需預(yù)熱部位，預(yù)熱溫度為125 ℃，并取較高的預(yù)熱溫度。

（3）此次修復(fù)選用ZX7-400 型電焊機(jī)，施焊時(shí)采用多層、薄層的焊方式進(jìn)行焊接。每一條焊道的寬度在不超過焊芯直徑4倍的前提下，適當(dāng)加寬，避免出現(xiàn)“駝峰”焊縫。每一層焊道的厚度不得超過3.5 mm，防止應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂紋。焊接全程使用手持測(cè)溫槍對(duì)層間溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保層間最高溫度控制在100～200 ℃范圍內(nèi)。電弧高度要控制在合適的范圍內(nèi)，不宜過高或過低，避免焊縫出現(xiàn)氣孔和夾渣的情況，一般推薦在焊條直徑的0.5～1 倍。選擇合適的焊接電流和焊接速度以調(diào)整單位長(zhǎng)度焊縫所得到的焊接電弧熱能量——焊接線能量，線能量過小容易形成淬硬組織，線能量過大又會(huì)降低材料的韌性。因此要避免在其下限值附近進(jìn)行短焊道焊接，同時(shí)在接近上限時(shí)不進(jìn)行多層連續(xù)焊接。本次修補(bǔ)采取的焊接工藝參數(shù)詳見表3。

表3 焊接工藝參數(shù)

（4）焊接完成后應(yīng)將焊縫及邊緣打磨光滑，余高為0～2.5 mm。然后立即進(jìn)行后熱消氫處理，首先將預(yù)熱裝置安裝在補(bǔ)焊部位，并將補(bǔ)焊部位的內(nèi)外兩側(cè)用硅酸鋁纖維保溫棉覆蓋，保溫棉厚度不低于150 mm。后熱消氫溫度控制在200～250 ℃，保溫時(shí)間為1 h。

（5）在焊接結(jié)束36 h 后進(jìn)行焊縫的無損檢測(cè)，檢測(cè)包括磁粉探傷、超聲波探傷、TOFD 探傷（返修深度超過3 mm）。所有檢測(cè)均按NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》的要求進(jìn)行，且必須達(dá)到磁粉檢測(cè)Ⅰ級(jí)合格，超聲波探傷Ⅰ級(jí)合格，TOFD 探傷Ⅱ級(jí)合格。

2.4 焊后局部熱處理

（1）焊后局部熱處理的加熱方法為電加熱履帶式加熱器加熱，設(shè)備采用吳江華力熱處理設(shè)備WCK/ZWK 型智能溫控箱，焊后熱處理的加熱范圍，以焊縫中心為基準(zhǔn)，在焊縫內(nèi)側(cè)鋪設(shè)一塊600 mm×350 mm 加熱板，并在加熱板及加熱帶以外100 mm范圍內(nèi)用硅酸鋁纖維保溫棉覆蓋，保溫棉厚度≥150 mm。

（2）焊后局部熱處理工藝要求：加熱速率：50～80 ℃/h；降溫速率：30～50 ℃/h；保溫溫度：580±20 ℃，恒溫130 min；當(dāng)局部熱處理工件冷卻至室溫后拆除加熱板和熱電偶。

3 結(jié)論

（1）液氨球罐裂紋產(chǎn)生的主要原因?yàn)榍蚬藿M裝時(shí)的約束應(yīng)力和焊接的殘余應(yīng)力在熱處理時(shí)沒有充分釋放，在使用過程中液氨受空氣污染，在應(yīng)力較大的焊縫處發(fā)生應(yīng)力腐蝕。

（2）在液氨中加入含量為0.2% 的水或100 μg/g 的冷凍機(jī)油或5 μg/g 的菜籽油或1O～50 μg/g 的硅油或一定量聯(lián)氨，可抑制液氨引起的應(yīng)力腐蝕。對(duì)于儲(chǔ)存無水氨達(dá)99.95%的液氨球罐，充裝前用氮?dú)鈱?duì)球體內(nèi)的空氣進(jìn)行置換，可減少在無水液氨環(huán)境下應(yīng)力腐蝕的傾向。

（3）液氨球罐缺陷修復(fù)后，經(jīng)復(fù)驗(yàn)合格，可正常使用。