林金峰*

（上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術研究院）

0 引言

與圓筒形容器相比，球形儲罐具有占地面積小、介質存儲量大、受力均勻、用材少等優(yōu)點，常用來儲存易燃、易爆介質。由于球形儲罐一般為現場制造，施工難度大，在建造時往往因管理和工藝等因素，導致施工質量參差不齊，給企業(yè)造成安全隱患[1-3]。在役檢驗是企業(yè)降低設備安全隱患的重要手段，但在役球罐的定期檢驗是以宏觀檢查、測厚、表面檢測和安全附件檢驗為主，埋藏缺陷檢測不是必檢項目，容易被忽視。本文以在役球罐檢驗案例為例，綜合分析了球罐焊縫缺陷的產生原因，并建議對2016 年以前建造的球罐進行埋藏缺陷檢測。

1 球罐的定期檢驗

某臺在役丙烯球罐于2014 年1 月建造投用，球罐材質為Q370R，內徑為15 700 mm，罐體厚度為50 mm，體積為2 000 m3。球罐設計壓力為2.16 MPa，最高工作壓力2.1 MPa，設計溫度為-10/50 ℃，工作溫度為35 ℃。相關研究表明[4]，球罐裂紋主要分布在柱腿與球殼板連接處的角焊縫、球殼板對接焊縫，這兩個部位是球罐檢驗的重點。本次球罐檢驗項目包括宏觀檢查、測厚、安全附件、內壁100%熒光磁粉檢測、球罐下極板Y 形焊縫的X 射線檢測、柱腿與球殼連接角焊縫的磁粉檢測等，詳見表1。本次球罐焊縫的埋藏缺陷檢測采用了相控陣超聲檢測技術。與傳統的超聲波檢測技術相比，相控陣超聲檢測技術適用于檢測形狀復雜的產品，其數據和圖像可記錄，缺陷尺寸測量也更精確，能夠通過一次掃查覆蓋整個檢測區(qū)域，其檢測結果更加可靠。目前，相控陣檢測技術正在逐漸取代常規(guī)超聲波檢測技術，成為特種設備無損檢測的重要技術。

表1 球罐檢驗方案

2 檢驗結果

球罐內外表面未見明顯腐蝕，表面檢測和超聲測厚未見異常，但徑相控陣檢測后發(fā)現球殼對接焊縫的超標缺陷（超出制造標準）共50 處，經射線檢測后發(fā)現2 處焊縫缺陷，經磁粉檢測后發(fā)現3 處焊縫淺表面裂紋。在用球罐的缺陷處理原則是以合于使用為目的，當氣孔、夾渣等缺陷的尺寸超出制造標準時，可按照TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》第8 章規(guī)定，確定各類缺陷的臨界尺寸，詳見表2。未熔合的臨界尺寸為自身高度為2 mm，長度為50 mm。夾渣的臨界尺寸為高度為4 mm，長度為150 mm。經統計，裂紋和超過臨界尺寸的缺陷共計15 處，以埋藏缺陷為主，其中裂紋11 處、夾渣3 處、未熔合1 處，缺陷主要存在于立焊和橫焊焊縫。

表2 非圓形埋藏缺陷的臨界尺寸

3 焊縫缺陷原因分析

在役容器失效一般與使用過程中產生的缺陷或制造缺陷有關。該丙烯球罐正常運行，不存在超溫或超壓工況，介質對Q370R 無腐蝕性，說明球罐的焊縫缺陷跟使用工況沒有關系，而是與安裝過程有關，或存在制造缺陷。

3.1 質保體系運轉不良

質保體系正常運轉是保證球罐安裝質量的前提，質保體系內的各質量控制責任人，應對生產過程實施有效監(jiān)督和控制。經宏觀檢查后發(fā)現，球罐外表面的橫焊和立焊焊縫存在咬邊和明顯的焊道溝槽，焊縫表面質量沒有達到磁粉檢測的要求，焊接質量可能存在問題。相控陣檢測結果也表明缺陷主要發(fā)生在橫焊和立焊焊縫。上述問題表明，檢驗責任師沒有在無損檢測前做好宏觀檢查工作，檢測責任師也沒有做好對檢測單位的質量控制工作，施工單位的質保體系運轉存在問題。

3.2 無損檢測原因

（1）射線檢測原因

射線源的種類和膠片類別對焊縫缺陷的檢出率有重要影響。X 射線的檢測靈敏度要優(yōu)于γ 源，射線檢測時應優(yōu)先選擇X 光。膠片的類別越高，底片質量越好，微小缺陷也越容易識別。該球罐安裝時，采用Ir192 源在內全景曝光射線檢測工藝，底片黑度和像質計影像識別也都符合當時的標準JB/T 4730—2005《承壓設備無損檢測》的要求，但該工藝的檢測靈敏度較低，一些小缺陷和裂紋類面型缺陷容易漏檢。從2015 年9 月起，隨著TSG 21—2016 和NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》標準實施，已不建議對球罐采用γ 源全景曝光的射線檢測工藝。從表3 可知，相關標準對膠片類別提高了要求，并提出附加局部檢測的要求。

表3 標準中關于γ源射線檢測的要求

（2）磁粉檢測原因

磁粉檢測可以有效檢測鐵磁性材料的表面和近表面缺陷，缺陷檢出率受到表面粗糙度影響，表面粗糙度Ra?。ㄒ话鉘a≤25 μm），有利于磁懸液正常流動，檢測效果越好。在焊縫施焊后，一般應對焊縫表面進行機械修磨，確保檢測順利實施。該球罐外壁的橫焊和立焊焊縫表面粗糙、成型較差，影響磁懸液流動，磁粉檢測效果不佳，導致缺陷漏檢。本次磁粉檢測發(fā)現的表面裂紋，可能是磁粉檢測漏檢所致。

3.3 鋼材的焊接性

鋼材的焊接性能主要取決于鋼材的化學成分，即碳和合金元素的含量。鋼中碳含量增加，其強度增加，塑性和韌性下降，淬硬傾向增大，焊接熱影響區(qū)被淬硬后，極易產生裂紋，使鋼材的抗裂性（焊接性）顯著降低。工程上通常用碳當量法對焊接產生的冷裂紋傾向及脆化傾向進行估算，即以鋼中的碳質量分數為基礎，將其他合金元素的質量分數折算成碳含量。國際焊接學會推薦的碳當量計算式為：

式中：WC，WMn，WCr，WMo，WV，WNi，WCu——分別為相應元素的質量分數。

根據表4 中各元素的含量計算出碳當量Ceq 值為0.439%。碳當量大于0.4%，表明焊后淬硬性和冷裂紋傾向明顯，焊接時需要采取提高焊件的預熱溫度和嚴格的工藝措施。

表4 Q370R的化學成分（質量分數） %

此外，球罐現場組對時的安裝應力，也是導致殘余應力和焊接裂紋的重要因素。

3.4 焊后熱處理工藝

焊后消應力熱處理是將工件加熱到既定溫度后，保溫一定時間，使內應力高的地方產生塑性流動，彈性變形逐漸減少，塑性變形逐漸增加，達到消除應力的目的。若焊后熱處理工藝不合理或實施不到位，則無法到達消應力的目的。查閱球罐安裝資料后發(fā)現，該球罐熱處理工藝要求的保溫溫度為（565±25 ）℃，實際熱處理溫度為540～580 ℃，保溫2 h。而NB/T 47015—2011 標準建議該材料焊后熱處理的保溫溫度不低于600 ℃，否則應適當地延長保溫時間。因此，在540 ℃的保溫溫度下，該球罐應至少保溫4 h，否則無法達到消除殘余應力的目的。

4 結語

球罐安裝過程中質保體系運轉不良、檢測工藝不合理、焊接冷裂紋傾向明顯、焊后消應力熱處理效果不佳，是導致球罐焊縫缺陷的主要原因。為了有效降低球罐的安全風險，在役檢驗時除了關注表面新生缺陷，還應采用相控陣超聲檢測或衍射時差法超聲檢測（TOFD）等技術來檢測埋藏缺陷。在2016 年以前，采用全景曝光射線檢測技術建造的球罐，應是在役檢驗的重點關注對象。