Q370R鋼制液氨球罐全面檢驗及裂紋成因分析

劉建杰，張保中，艾志斌

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司壓力容器與管道技術(shù)基礎(chǔ)研究部，安徽合肥 230031）

0 引言

液氨在工業(yè)上應(yīng)用非常廣泛，主要用于生產(chǎn)硝酸、尿素和其他化肥，還可作為醫(yī)藥和農(nóng)藥的原料、有機(jī)化工產(chǎn)品的氨化原料以及用作冷凍劑等[1]。球罐作為液氨的重要儲存容器，由于其介質(zhì)的特殊性，必須確其安全使用。Q370R鋼制液氨球罐具有良好的綜合力學(xué)性能和工藝性能，可承受高溫和腐蝕性介質(zhì)的作用[2]，主要用于制造各類中低壓壓力容器。介紹貴州某化學(xué)有限公司的1臺Q370R鋼制液氨球罐的全面檢驗情況，分析檢測中發(fā)現(xiàn)的內(nèi)壁裂紋成因。

1 全面檢驗

貴州某化學(xué)有限公司的一臺Q370R鋼制液氨球罐，于2014年2月6日投入使用。該罐板厚50 mm，容積3000 m3；設(shè)計壓力 2.16 MPa，工作壓力 2.06 MPa；設(shè)計溫度（-19～50）℃，工作溫度常溫；介質(zhì)為液氨。

2016年，對該罐進(jìn)行首次定期檢驗，共測厚108點(diǎn)，實測球殼最小壁厚50.3 mm。對接焊縫內(nèi)壁進(jìn)行100%磁粉檢測，共發(fā)現(xiàn)48處線性缺陷。上述檢驗檢測中發(fā)現(xiàn)的缺陷，已由相關(guān)返修單位返修合格，并進(jìn)行了耐壓試驗（試驗壓力為2.7 MPa），結(jié)論為合格。最終安全狀況等級評為3級，下次檢驗日期定為2017年10月。2017年7月，對球罐進(jìn)行了全面檢驗。

1.1 宏觀檢驗

實測縱、環(huán)焊縫最大對口錯邊量分別為5 mm和5mm，縱、環(huán)焊縫最大棱角度分別為6 mm和6 mm，縱、環(huán)焊縫最大余高分別為3 mm和3 mm。內(nèi)壁宏觀檢驗發(fā)現(xiàn)1處劃痕（80 mm×10 mm×3 mm），已打磨圓滑過渡，實測附近壁厚為51.9 mm。內(nèi)壁宏觀檢驗發(fā)現(xiàn)1處凹坑（尺寸為150 mm×70 mm×3 mm），已圓滑過渡，實測凹坑附近壁厚為50.8 mm。內(nèi)壁宏觀檢驗發(fā)現(xiàn)1處密集小凹坑10個，最深2 mm，已圓滑過渡，實測凹坑附近壁厚為51.5 mm。

1.2 壁厚測定

壁厚測定共測264點(diǎn)，實測球殼最小壁厚值為50.1 mm。

1.3 無損檢測

球殼對接焊縫進(jìn)行100%超聲檢測，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。磁粉檢測結(jié)果如下。

（1）外壁球殼對接焊縫、支柱與球殼連接角焊縫、下極板接管與球殼連接焊縫磁粉檢測抽查（共抽查372 m），未發(fā)現(xiàn)缺陷磁痕顯示。

（2）內(nèi)壁下部球殼板材熒光磁粉檢測抽查2處（分別為1000 mm×1000 mm和1000 mm×1200 mm），未發(fā)現(xiàn)缺陷磁痕顯示。

（3）內(nèi)壁下極板球殼板材熒光磁粉檢測抽查2處（分別為1200 mm×1300 mm和1000 mm×1000 mm），未發(fā)現(xiàn)缺陷磁痕顯示。

（4）內(nèi)壁球殼對接焊縫、接管角焊縫進(jìn)行100%熒光磁粉檢測，共發(fā)現(xiàn)378處缺陷磁痕顯示（均判為Ⅱ級），缺陷位于內(nèi)壁對接焊縫及熱影響區(qū)附近，包括上次返修的部分區(qū)域。經(jīng)金相檢驗確認(rèn)為裂紋，已出具檢驗意見通知書交用戶處理，企業(yè)委托相關(guān)返修單位修復(fù)合格并進(jìn)行了耐壓試驗。

（5）耐壓試驗后對接焊縫內(nèi)壁磁粉檢測抽查（共104 m），未發(fā)現(xiàn)缺陷磁痕顯示。

最終安全狀況等級評為3級，下次檢驗日期為2019年7月。

2 裂紋成因分析

2.1 硬度測定結(jié)果分析

內(nèi)壁裂紋均位于現(xiàn)場組焊焊縫，而下人孔—極板對接焊縫則須在制造廠完成焊接并在爐內(nèi)進(jìn)行整體焊后熱處理[3]，同時在檢測中也未發(fā)現(xiàn)裂紋，故選取此處進(jìn)行對比。對內(nèi)壁裂紋區(qū)域及非裂紋區(qū)域、下人孔—極板對接焊縫進(jìn)行硬度測定（表1）。結(jié)果顯示，裂紋區(qū)域的焊縫及熱影響區(qū)部位硬度值較高。非裂紋區(qū)域焊縫的硬度值與前者相比未有明顯變化，而熱影響硬度值雖然也偏高，但與裂紋區(qū)域的熱影響區(qū)相比有明顯下降。無論裂紋區(qū)域或是非裂紋區(qū)域，與下人孔—極板對接焊縫相比，其焊縫和熱影響區(qū)的硬度值都較高。三者母材硬度值基本一致。通過以上對比發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場組焊的焊縫與制造廠完成的焊縫相比，焊接工藝或焊后熱處理的控制存在問題，導(dǎo)致硬度值較高，從而引發(fā)較高的焊接殘余應(yīng)力。

2.2 金相檢驗結(jié)果分析

選取2處典型裂紋進(jìn)行金相分析，標(biāo)記為1#裂紋與2#裂紋。用4%硝酸酒精對2處裂紋進(jìn)行浸蝕后（圖1），發(fā)現(xiàn)裂紋主要位于焊縫及熱影響區(qū)，其中焊縫上的裂紋主要為橫向裂紋，位于焊縫與熔合線之間，未擴(kuò)展至母材?？v向裂紋主要位于熔合線上，基本上與熔合線走向一致。

圖1 裂紋宏觀形貌

圖2 和圖3分別為1#裂紋和2#裂紋的微觀形貌。其中，焊縫組織為鐵素體+貝氏體，熱影響區(qū)組織為鐵素體+貝氏體+針狀馬氏體。結(jié)果表明，裂紋主要位于焊縫和熱影響區(qū)，裂紋末端較細(xì)、有分叉，均有沿晶、穿晶擴(kuò)展趨勢，具有明顯的應(yīng)力腐蝕裂紋特征。圖4為下人孔—極板對接焊縫的焊縫組織與熱影響區(qū)組織，均為鐵素體+貝氏體。1#和2#裂紋處的熱影響區(qū)組織與其對比有明顯區(qū)別，后者無馬氏體組織。

圖2 1#裂紋微觀形貌

圖3 2#裂紋微觀形貌

圖4 下人孔—極板焊縫微觀形貌

2.3 綜合分析

無水液氨（NH3）對碳鋼或低合金鋼只產(chǎn)生很輕微的均勻腐蝕，但液氨儲罐在充裝、排料及檢修過程中，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。如果此時液氨中的含水量在0.005%～0.200%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），會增加金屬的應(yīng)力腐蝕敏感性[4]。

宏觀檢驗中縱、環(huán)焊縫錯邊量較大，高于標(biāo)準(zhǔn)要求的3 mm[3]，形成幾何不連續(xù)造成局部應(yīng)力水平較高，同時焊縫及熱影響區(qū)的硬度值較高表明殘余應(yīng)力水平較高。液氨儲罐在充裝、排料、檢修過程中易受到空氣污染，混入氧氣及二氧化碳。查閱2017年前5個月的取樣分析表，發(fā)現(xiàn)液氨內(nèi)含有少量的水（0.04%～0.07%）。在這種敏感環(huán)境下，殘余應(yīng)力較高的焊縫發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂。

3 結(jié)論與建議

（1）裂紋主要位于焊縫和熱影響區(qū)，裂紋末端較細(xì)、有分叉，均有沿晶、穿晶擴(kuò)展趨勢，具有較明顯的應(yīng)力腐蝕裂紋特征。

（2）宏觀檢驗中縱、環(huán)焊縫錯邊量較大，形成幾何不連續(xù)，造成局部應(yīng)力水平較高，同時焊縫及熱影響區(qū)的硬度值較高表明殘余應(yīng)力水平較高。液氨儲罐在充裝、排料、檢修過程中可能受到空氣污染，混入氧氣及二氧化碳，實際操作中液氨含水量在0.005%～0.2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。在這種敏感環(huán)境下，殘余應(yīng)力較高的焊縫發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂。

（3）在液氨中加入少量的水且水含量＞0.2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），控制焊接接頭硬度≤225 HB，防止空氣或氧氣混入液氨[4]。