低溫液體CO2儲(chǔ)罐母材開(kāi)裂原因分析及缺陷處理

肖 鵬 凌 旸 旸

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院泰州分院 泰州 225400）

1 低溫液體CO2 儲(chǔ)罐概況

1.1 結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

某CO2提純企業(yè)一臺(tái)低溫液體CO2儲(chǔ)罐（以下簡(jiǎn)稱(chēng)儲(chǔ)罐）于2000 年8 月投入使用。結(jié)構(gòu)如圖1 所示，為單腔圓筒形單層板焊臥式容器，此結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況良好，故廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。儲(chǔ)罐的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 儲(chǔ)罐技術(shù)參數(shù)

（續(xù)表）

（續(xù)表）

圖1 儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)圖

1.2 歷次定期檢驗(yàn)情況

儲(chǔ)罐投用后，于2003 年首檢，2008 年第2 次定期檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)論為合格。2013 年第3 次定期檢驗(yàn)，經(jīng)磁粉檢測(cè)和射線檢測(cè)，在S 區(qū)域發(fā)現(xiàn)20 條裂紋，裂紋位于儲(chǔ)罐內(nèi)表面，相互不連結(jié)，單獨(dú)存在，大部分為橫向裂紋，長(zhǎng)度在10mm ～18mm。

2 裂紋缺陷及原因分析

2.1 裂紋缺陷及凹坑描述

裂紋出現(xiàn)在B4 焊縫西側(cè)的母材上，且位于A4 焊縫上方，整個(gè)裂紋區(qū)呈狹長(zhǎng)條形。上述裂紋經(jīng)表面打磨后消除，但形成了長(zhǎng)約2500mm，寬約40mm，深約4mm 的凹坑，凹坑?xùn)|側(cè)邊緣距離B4 焊縫12mm，即為S 區(qū)域，見(jiàn)圖1。

2.2 母材開(kāi)裂原因分析

該儲(chǔ)罐制造時(shí)采用埋弧自動(dòng)焊，查閱相關(guān)文獻(xiàn)得焊接熱影響區(qū)寬度為2.3mm ～4.0mm[3]。因S 區(qū)域東側(cè)邊緣距離B4 焊縫12mm，故裂紋出現(xiàn)在母材上，遠(yuǎn)離焊接熱影響區(qū)。相對(duì)于母材來(lái)講，焊接接頭位置為應(yīng)力集中區(qū)域，且影響焊接質(zhì)量的要素較多，使用中出現(xiàn)裂紋的概率應(yīng)大于母材，故《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》中也是要求對(duì)焊接接頭進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。再之，根據(jù)HG 20585—1998《鋼制低溫壓力容器技術(shù)規(guī)定》中4.0.7 的要求，該儲(chǔ)罐用鋼板須逐張進(jìn)行超聲波探傷，且級(jí)別不低于Ⅲ級(jí)；制造企業(yè)提供了一張?jiān)牧铣暡ㄌ絺麍?bào)告，評(píng)定級(jí)別為Ⅰ級(jí)。裂紋出現(xiàn)在該儲(chǔ)罐母材位置，且互不干擾、成片出現(xiàn)，確實(shí)有些蹊蹺。通過(guò)對(duì)該部位進(jìn)行硬度測(cè)試和金相組織分析，得知硬度為HB190、金相組織為鐵素體+珠光體，說(shuō)明材料組織正常。后又進(jìn)行了光譜分析，光譜分析結(jié)果和相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求見(jiàn)表2。鋼的成分對(duì)低溫性能有顯著影響，磷、碳、硅使鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，其中尤以磷、碳最為顯著，而錳和鎳會(huì)使脆性轉(zhuǎn)變溫度降低，對(duì)低溫韌性有利，硫?qū)︿摬牡摹盁岽唷毙杂休^大的不利影響。故現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB 3531—2014《低溫壓力容器用鋼板》中P、S 含量較原標(biāo)準(zhǔn)均降低了0.005%。由表2 可知，鋼板的化學(xué)成分既符合原驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，也滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，說(shuō)明鋼板化學(xué)成分正常。

表2 光譜分析結(jié)果

筆者而后詳細(xì)翻閱了出廠資料中的射線檢驗(yàn)報(bào)告，發(fā)現(xiàn)大部分底片評(píng)定結(jié)果為Ⅰ級(jí)，唯獨(dú)B4 焊縫中第11 ～20 張底片全部評(píng)定為Ⅱ級(jí)，且與S 區(qū)域相重疊。接連10 張底片全部評(píng)定為Ⅱ級(jí)，對(duì)應(yīng)的母材上S 區(qū)域經(jīng)磁粉檢測(cè)又恰巧出現(xiàn)20 條裂紋，莫非是由于母材上的某些先天缺陷影響了當(dāng)初的射線定級(jí)，使用過(guò)程中又得到擴(kuò)展而形成了20 條裂紋？為了驗(yàn)證推斷是否正確，在對(duì)缺陷未做任何處理的情況下，對(duì)S 區(qū)域及相連的部分B4 焊縫進(jìn)行了射線檢測(cè)。由射線底片可知：B4 焊縫及相連的東側(cè)母材未見(jiàn)缺陷影像顯示，而相連的西側(cè)母材上存在26 處條形缺陷，缺陷長(zhǎng)度在3mm ～5mm，其中20 處條形缺陷尖端存在裂紋，與磁粉檢測(cè)結(jié)果一致。接著將所發(fā)現(xiàn)的裂紋進(jìn)行打磨（深約4mm），打磨時(shí)確實(shí)發(fā)現(xiàn)有夾雜物，裂紋消除后對(duì)B4 焊縫制造拍片時(shí)第11 ～20 張底片位置重新進(jìn)行射線檢測(cè)，10 張底片全部評(píng)定為Ⅰ級(jí)。綜上易得：西側(cè)母材上的26 處條形缺陷導(dǎo)致制造時(shí)B4 焊縫中第11 ～20 張底片全部評(píng)定為Ⅱ級(jí)；經(jīng)過(guò)15 年的使用，由于環(huán)向應(yīng)力和低溫工況的共同作用，其中20 處條形缺陷尖端出現(xiàn)擴(kuò)展而產(chǎn)生裂紋。

2.3 鋼板常見(jiàn)缺陷及成因

鋼板常見(jiàn)的缺陷可以分為表面缺陷、板形缺陷、整卷外觀缺陷、成分性能和幾何尺寸五類(lèi)。其中表面缺陷主要可以分為5 個(gè)大類(lèi)：1）麻點(diǎn)；2）折疊、劃傷；3）夾雜；4）結(jié)疤；5）裂紋[4]。其中鋼板表面存在的不規(guī)則點(diǎn)狀塊狀或車(chē)條狀非金屬夾雜物稱(chēng)為表面夾雜，其顏色一般呈紅棕色、黃褐色、灰白色或灰黑色。產(chǎn)生表面夾雜的原因大致有：1）板坯皮下夾雜軋后暴露，或板坯原有的表面夾雜軋后殘留在鋼板表面上；2）加熱爐耐火材料及泥沙等非金屬物落在板坯表面上，軋制時(shí)壓入板面[5]；3）鋼水中的脫氧產(chǎn)物沒(méi)有充分上浮或在連鑄過(guò)程中塞棒波動(dòng)和結(jié)晶器液面波動(dòng)造成卷渣。根據(jù)各類(lèi)缺陷的特點(diǎn)，結(jié)合底片和打磨時(shí)的情況，可判定該儲(chǔ)罐用鋼板局部存在夾雜缺陷，不滿足原驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)GB 3531—1996《低溫壓力容器用低合金鋼鋼板》中4.5.1“鋼板表面不得有裂紋、裂口、氣泡、結(jié)疤、折疊和夾雜等缺陷”的要求。由此可見(jiàn)，制造時(shí)B4 焊縫中第11 ～20 張底片不應(yīng)評(píng)定為Ⅱ級(jí)，而應(yīng)當(dāng)按照不合格片處理。

3 缺陷處理

3.1 缺陷清除

對(duì)缺陷部位進(jìn)行打磨，確保母材中的夾雜物和裂紋完全清除，并經(jīng)磁粉檢測(cè)和射線檢測(cè)確認(rèn)。

3.2 補(bǔ)焊

打磨后形成凹坑S 區(qū)域，凹坑深度大于壁厚余量；凹坑半長(zhǎng)A=1250mm，1.4≈254mm，凹坑半長(zhǎng)A ＞1.4，故也不能進(jìn)行無(wú)量綱參數(shù)計(jì)算。綜上，該凹坑不允許存在，要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)焊[5]。

主要補(bǔ)焊工藝措施如下：

1）對(duì)板材進(jìn)行焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度≥80℃。

2）焊接過(guò)程中采用手工電弧焊。

3）焊條選用J507RH，必須經(jīng)過(guò)350℃～430℃烘焙，然后放在100℃～150℃恒溫箱內(nèi)保溫，隨用隨取。

4）為避免焊縫及熱影響區(qū)形成粗大組織而使其沖擊韌性嚴(yán)重降低，焊接時(shí)采用較小的焊接線能量，具體要求是：焊接電流不宜過(guò)大，焊條盡量不擺動(dòng)。每條焊縫的起弧和收弧處應(yīng)錯(cuò)開(kāi)20mm 以上，并注重起弧與收弧的質(zhì)量。每焊一層都應(yīng)仔細(xì)檢查，確定無(wú)缺陷后再焊下一層。

5）焊后熱處理：加熱溫度為610±10℃，保溫時(shí)間為2h，升溫至380℃以上時(shí)，升溫速度控制為50～80℃/h，降溫時(shí)，降溫速度控制在30～50℃/h，當(dāng)溫度在380℃以下時(shí)自然冷卻。

6）進(jìn)行磁粉檢測(cè)和射線檢測(cè)，確保無(wú)超標(biāo)缺陷。

7）進(jìn)行水壓試驗(yàn)，pT=3.1MPa 無(wú)滲漏、無(wú)可見(jiàn)的變形、試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)異常的響聲方為合格。

4 建議

1）鋼板生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)嚴(yán)格按照GB 3531 的要求對(duì)鋼板進(jìn)行出廠檢驗(yàn)；壓力容器制造單位應(yīng)嚴(yán)格按照HG 20585 的要求對(duì)鋼板進(jìn)行驗(yàn)收和試驗(yàn)，確保低溫用鋼板合格。

2）壓力容器焊接完成后，按照HG 20585 的要求對(duì)焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，并重視母材上的缺陷，避免錯(cuò)評(píng)漏評(píng)。

3）定期檢驗(yàn)時(shí)加強(qiáng)對(duì)碳鋼低合金鋼制低溫壓力容器的無(wú)損檢測(cè)，必要時(shí)采用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行整體活動(dòng)性缺陷監(jiān)測(cè)。

[1] 唐曉鋒，趙院婷，高浩，等.低溫壓力容器制造質(zhì)量控制[C].黑龍江省機(jī)械工程學(xué)會(huì)2007年年會(huì)論文(摘要)集.

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