10×104 m3儲罐T形焊接接頭開裂原因分析

吉章紅

(石油化工工程質(zhì)量監(jiān)督總站，北京 100728)

1 T形焊接接頭開裂情況

1.1 T13罐T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫開裂現(xiàn)象

某項原油商業(yè)儲備基地工程，共建造8臺10×104m3原油儲罐及附屬的配套設(shè)施。儲罐罐體采用12MnNiVR鋼板，內(nèi)罐底板直徑φ80 m，底圈壁板厚32 mm，邊緣板厚20 mm。邊緣板與底圈壁板焊接的焊腳尺寸13 mm。焊接時采用手工電弧焊或二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊打底，埋弧自動焊填充蓋面。每臺儲罐在驗收合格后進(jìn)行充水試驗工作，充水試驗最高液位20.2 m。

T13、T14、T15罐在充水試驗完成并清理完畢后檢查發(fā)現(xiàn)，底板的通長板焊縫附近出現(xiàn)規(guī)則的凸起變形。按照儲罐施工程序及設(shè)計要求進(jìn)行大角焊縫充水后的無損檢測，在打磨過程中發(fā)現(xiàn)T13罐內(nèi)大角焊縫內(nèi)側(cè)邊緣板局部有明顯裂紋，共8處，分布在GJ-10、GJ-11、GJ-13、GJ-19、GJ-20、GJ-21、GJ-28、GJ-29號邊緣板上，見圖1。

裂紋發(fā)生在內(nèi)側(cè)角焊縫焊趾處，最大連續(xù)長度達(dá)到4 630 mm，外觀如圖2所示。在發(fā)現(xiàn)大角焊縫內(nèi)側(cè)邊緣板母材表面裂紋后，為確認(rèn)裂紋內(nèi)部走向，對位置7部位局部用砂輪機(jī)進(jìn)行打磨，長度約為150 mm，發(fā)現(xiàn)裂紋呈45°向大角焊縫內(nèi)側(cè)邊緣板母材下部延伸，打磨深度約15 mm仍能夠看到微裂紋，如圖3所示。內(nèi)側(cè)角焊縫開裂位置如圖4 所示。

圖1 裂紋位置平面布置

1.2 充水過程中罐底板沉降變形現(xiàn)象

在充水試壓過程中，對儲罐的沉降進(jìn)行檢測，主要監(jiān)測儲罐基礎(chǔ)沉降和罐底板錐面變形。結(jié)果顯示，在試水完畢后，T-13、T-14、T-15罐相比其他儲罐下沉大。

T13、T14、T15罐底板在充水預(yù)壓過程中沉降變形以及罐底板錐面變形測量結(jié)果如圖5～圖7 所示。

圖2 裂紋外觀照片

圖3 裂紋走向識別

與其他鋼結(jié)構(gòu)相比較，大型儲油罐能經(jīng)受住較大的整體沉降變形，因此對地基承載力要求較低，但是抵御地基不均勻沉降的能力有限。尤其當(dāng)?shù)鼗诓粷M足要求的情況下，地基不牢固等會加劇不均勻沉降的產(chǎn)生。從數(shù)據(jù)測量中的坡度變化也能反映出地基沉降后底板變形量在不同的半徑區(qū)域是不同的。顯然，邊緣板位置的變形會在內(nèi)側(cè)焊縫產(chǎn)生應(yīng)力的集中。

圖4 T13罐T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫開裂位置示意

1.3 充水過程中環(huán)梁沉降現(xiàn)象

檢測結(jié)果表明，T13、T14、T15這3臺罐環(huán)梁內(nèi)側(cè)的底板產(chǎn)生了嚴(yán)重的下沉變形，并且位于壁板附近的環(huán)梁也存在不同程度下沉。各儲罐基礎(chǔ)沉降量統(tǒng)計如表1所示。由表1可見，上述3臺罐的整體沉降量較大。而且數(shù)據(jù)中相鄰觀測點的最大高度差主要出現(xiàn)在T13與T14這2臺儲罐。

圖5 T13罐底板沉降變形

圖6 T14罐底板沉降變形

圖7 T15罐底板沉降變形

初步分析認(rèn)為，環(huán)梁的沉降幅度對T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫開裂具有重要的影響。環(huán)梁的沉降幅度不同，在T形接頭內(nèi)側(cè)焊縫焊趾處產(chǎn)生應(yīng)力大小也會不同。該應(yīng)力與地基沉降引起底板變形造成的應(yīng)力相互作用，最終在焊趾處產(chǎn)生附加應(yīng)力。附加應(yīng)力大小與底板沉降變形以及環(huán)梁沉降直接相關(guān)。

隨著底板變形量的變化，附加應(yīng)力隨之變化。然而集中在T形接頭內(nèi)側(cè)焊縫區(qū)域的附加應(yīng)力是否會導(dǎo)致內(nèi)側(cè)角焊縫開裂，則需要通過對附加應(yīng)力進(jìn)行計算分析才能確定。

表1 各儲罐基礎(chǔ)沉降量統(tǒng)計 單位：mm

2 儲罐底板變形與T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫裂紋初步分析

一般來說，焊接接頭區(qū)域發(fā)生開裂現(xiàn)象的原因主要來自于兩種情況【1】：一種是焊接接頭出現(xiàn)的熱裂紋、冷裂紋以及存在的氣孔、夾渣等其他缺陷在焊接殘余應(yīng)力作用下開裂，這種情況與焊接材料、焊接工藝及焊接結(jié)構(gòu)有關(guān)，屬于焊接質(zhì)量問題；另一種即為附加外力造成接頭內(nèi)拉伸應(yīng)力超過材料抗拉強(qiáng)度而導(dǎo)致的開裂，這種情況與焊接質(zhì)量無關(guān)，是由過大的附加外力或附加外力與內(nèi)部殘余應(yīng)力疊加形成的綜合應(yīng)力導(dǎo)致的接頭部位開裂。T13罐及其他儲罐的壁板與底板間角接接頭焊接質(zhì)量已經(jīng)確認(rèn)，其焊后沒有產(chǎn)生冷裂紋、熱裂紋及氣孔、夾渣等其他焊接缺陷。

在儲罐充水試時中對底板變形進(jìn)行檢測的過程中發(fā)現(xiàn)，T13、T14、T15儲罐底板發(fā)生了沉降變形。充水試壓過程中，充水造成的靜壓力會在T形接頭中產(chǎn)生附加應(yīng)力，而底板的下沉變形也將在接頭中產(chǎn)生附加應(yīng)力。

通過對T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫開裂的T13儲罐與其他底板未變形的儲罐以及底板變形但內(nèi)部角焊縫未開裂的T14、T15儲罐進(jìn)行對比分析，初步認(rèn)為T13罐T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫開裂的直接原因有二，一為充水過程中，水壓不僅會對底板產(chǎn)生壓力，在地基不穩(wěn)的情況還會使底板下沉變形；二是水壓還會對T形接頭產(chǎn)生附加靜壓力。

底板的沉降變形會在T形接頭內(nèi)產(chǎn)生附加拉應(yīng)力。由于T形接頭本身存在焊接殘余應(yīng)力，與附加拉應(yīng)力疊加將使接頭內(nèi)應(yīng)力更大，發(fā)生開裂的傾向也隨之增大。在焊接接頭質(zhì)量合格的條件下、儲罐充水試壓過程中，接頭開裂是由水壓造成的附加靜壓力、底板沉降造成的附加拉應(yīng)力以及焊接接頭本身的殘余應(yīng)力中的某個因素引起的，還是多個因素疊加引起的，需要通過計算分析來確定。

3 充水過程中T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫的附加應(yīng)力

在充水過程中，地基對底板的支撐力度不夠，導(dǎo)致底板承載能力下降進(jìn)而發(fā)生沉降變形，且地基沉降的不均勻性使底板在不同半徑方向的沉降量不一致。而底板沉降變形、特別是起重要支撐作用的環(huán)梁的沉降，將會在T型接頭內(nèi)側(cè)角焊縫內(nèi)產(chǎn)生附加應(yīng)力(稱為變形附加應(yīng)力)。另外，在充水試壓過程中水的靜壓也將會在T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫內(nèi)產(chǎn)生附加應(yīng)力(稱為靜壓附加應(yīng)力)，而這兩個附加應(yīng)力將會改變T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫的應(yīng)力狀態(tài)。

為了使問題簡化，便于理解和分析，以儲罐T形接頭為中心，將底板抽象為一個有背面支撐的T形橫板直梁板結(jié)構(gòu)、壁板抽象為一立柱，如圖8所示。

在抽象建立的附加應(yīng)力分析模型中，T形接頭下部和底板下部考慮不同的支撐，并在相同的充水靜壓載荷下產(chǎn)生不同的沉降變形。由于充水靜壓、環(huán)梁沉降、底板沉降在充水試壓過程中對儲罐T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫產(chǎn)生的附加應(yīng)力是不同的，因此，為了便于分析，將充水試壓過程中在儲罐T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫產(chǎn)生的靜壓附加應(yīng)力和底板沉降變形附加應(yīng)力分類討論。

圖8 儲罐T形接頭附加應(yīng)力分析模型示意

1) 靜壓附加應(yīng)力

在不考慮底板沉降變形的條件下，不同充水高度產(chǎn)生的靜壓力對T形接頭內(nèi)層角焊縫應(yīng)力狀態(tài)的影響如圖9所示。

圖9 靜水壓力下結(jié)構(gòu)受力模型示意

2) 變形附加應(yīng)力

充水20 m后，如果地基的承載能力不夠，則會發(fā)生地基沉降，從而導(dǎo)致底板沉降變形及環(huán)梁沉降。整體沉降后底板變形的結(jié)構(gòu)受力模型如圖10 所示。

圖10 整體沉降后底板變形的結(jié)構(gòu)受力模型示意

無論是變形附加應(yīng)力還是靜壓附加應(yīng)力，都將會改變T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)。然而這兩種附加應(yīng)力對T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫應(yīng)力狀態(tài)的改變目前還無法通過實驗直接測定出來，只能通過有限元計算進(jìn)行定量分析。

通過對測量數(shù)據(jù)(對經(jīng)點最大差值與相鄰點差值)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)T13與T14罐的對經(jīng)點和相鄰點下降差值較T15罐更大。為了對照，將開裂的T13罐與未開裂的T14罐確定為主要研究對象，分別研究分析儲罐充水試壓過程中支撐環(huán)梁和底板基礎(chǔ)沉降變形造成的T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫附加應(yīng)力的變化規(guī)律。

鑒于有限元計算的復(fù)雜性，必須通過專門的軟件進(jìn)行計算，因此委托院校進(jìn)行了有限元分析，本文在此只引用計算結(jié)論。

a) 充水靜壓對T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫產(chǎn)生的附加應(yīng)力非常微小，可以忽略不計。

b) 支撐環(huán)梁周向沉降對T形接頭附加應(yīng)力的影響較小，可以忽略不計。

c) 如果支撐環(huán)梁不發(fā)生沉降，在其支撐下，僅環(huán)梁內(nèi)側(cè)儲罐底板變形對T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫的應(yīng)力狀態(tài)幾乎沒有影響；

d) 若支撐環(huán)梁發(fā)生不均勻沉降則會在T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫內(nèi)產(chǎn)生較大附加應(yīng)力，且應(yīng)力在底板焊趾處形成很大的應(yīng)力集中。在T13罐和T14罐兩種支撐環(huán)梁沉降條件下，底板焊趾處形成的應(yīng)力集中分別高達(dá)234 MPa和137 MPa。由于T13罐環(huán)梁沉降量大于T14罐，因而使得T13罐沉降條件下T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫焊趾處的附加應(yīng)力要明顯大于T14罐沉降條件下的焊趾附加應(yīng)力。同時結(jié)果也表明，由于變形發(fā)生在底板，在T13罐和T14罐兩種沉降變形條件下，壁板上焊趾處的附加應(yīng)力均小于底板焊趾處的應(yīng)力。

e) 實際工況中，支撐環(huán)梁和內(nèi)側(cè)地基均發(fā)生不均勻沉降的條件下，儲罐T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫焊趾處的應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯。在T13罐和T14罐兩種底板沉降變形條件下，T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫底板焊趾處的附加應(yīng)力分別達(dá)到320 MPa和230 MPa。

f) 從計算結(jié)果上看，T13罐T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫單純由支撐環(huán)梁和底板沉降變形造成的附加應(yīng)力還未達(dá)到使其開裂的應(yīng)力水平。

4 T形接頭多層多道焊接殘余應(yīng)力

委托院校進(jìn)行了焊接殘余應(yīng)力的計算，本文只引用計算結(jié)論：

a) 多層多道焊接過程中，前、后焊道間相互熱作用對接頭焊接殘余應(yīng)力水平具有重要的緩解作用【2-3】。

b) T13和T14罐T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫壁板焊趾和底板焊趾處殘余應(yīng)力分別為524 MPa和385 MPa，壁板焊趾處的殘余應(yīng)力水平明顯高于底板焊趾，這是由于多層多道焊接過程中前、后焊道間的附加熱處理造成的。

c) T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫焊接殘余應(yīng)力峰值接近儲罐母材的屈服強(qiáng)度，低于材料的抗拉強(qiáng)度。

d) 從計算結(jié)果上看，儲罐T形接頭焊接殘余應(yīng)力不會導(dǎo)致接頭的直接開裂。

5 儲罐T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫開裂判據(jù)

儲罐在焊接接頭存在焊接殘余應(yīng)力的條件下，由于底板發(fā)生不均勻沉降變形在T形接頭內(nèi)產(chǎn)生了附加應(yīng)力，而焊接殘余應(yīng)力和附加應(yīng)力的疊加則有可能造成T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫開裂。因此，本部分基于焊接殘余應(yīng)力和和附加應(yīng)力的疊加建立儲罐T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫開裂失效判據(jù)。

多重因素影響下，焊趾處發(fā)生開裂與該處的應(yīng)力狀態(tài)密切關(guān)聯(lián)。儲罐在充水試壓過程發(fā)生底板不均勻沉降變形，T形接頭內(nèi)部產(chǎn)生附加應(yīng)力。該附加應(yīng)力與T形接頭內(nèi)原有的焊接殘余應(yīng)力疊加后，如果超過材料的抗拉強(qiáng)度則會使接頭開裂失效。因此，將焊接殘余應(yīng)力σi(內(nèi)應(yīng)力)和底板沉降變形及充水靜壓造成的附加應(yīng)力σo(外應(yīng)力)疊加作為接頭的綜合應(yīng)力σT，即σT=σi+σo其是否超過材料的抗拉強(qiáng)度作為接頭是否開裂失效的判據(jù)。若T形接頭綜合應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度，則可以判定該T形接頭開裂。

1) 將焊接殘余應(yīng)力峰值(焊趾處殘余應(yīng)力)與材料抗拉強(qiáng)度σb進(jìn)行比較，判斷在焊接殘余應(yīng)力(內(nèi)應(yīng)力)作用下T形接頭是否開裂：

a)σi<σb：T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫不會開裂，亦即接頭焊接質(zhì)量無問題；

b)σi>σb：T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫發(fā)生開裂，接頭焊接質(zhì)量存在問題。

通過數(shù)值分析,內(nèi)側(cè)角焊縫罐底板焊趾處殘余應(yīng)力峰值為385 MPa，小于罐體材料的抗拉強(qiáng)度680 MPa。因此，可判定T形接頭焊接殘余應(yīng)力不會導(dǎo)致其焊趾處開裂。

2) 將附加應(yīng)力與材料抗拉強(qiáng)度進(jìn)行比較，判斷在附加應(yīng)力作用下接頭是否開裂：

a)σo<σb：底板沉降變形在接頭內(nèi)形成的附加應(yīng)力不會使T形接頭開裂；

b)σo>σb：底板沉降變形在接頭內(nèi)形成的附加應(yīng)力使T形接頭直接開裂。

T13和T14罐的T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫底板焊趾處的附加應(yīng)力分別為320 MPa和230 MPa，都小于材料抗拉強(qiáng)度。因此，T13和T14儲罐底板沉降變形在T形接頭內(nèi)形成的附加應(yīng)力未達(dá)到使T形接頭直接開裂的水平。

3) 將綜合應(yīng)力與材料抗拉強(qiáng)度進(jìn)行比較，判斷接頭在充水試壓過程中是否開裂：

a)σT<σb：T形接頭不開裂；

b)σT>σb：T形接頭開裂。

根據(jù)對T形接頭內(nèi)側(cè)焊縫殘余應(yīng)力和充水過程施加的外應(yīng)力的分析，T13罐和T14罐T形接頭綜合應(yīng)力對比如表2所示。

表2 基于綜合應(yīng)力T形接頭內(nèi)側(cè)焊縫焊趾處開裂判斷

從表2數(shù)據(jù)對比可知：T13罐T形接頭底板焊趾處綜合應(yīng)力為705 MPa，超過罐體材料12MnNiVR鋼的抗拉強(qiáng)度，T形接頭在內(nèi)側(cè)角焊縫焊趾處發(fā)生開裂；T13罐壁板焊趾處的綜合應(yīng)力達(dá)到了664 MPa，超過材料的屈服強(qiáng)度，接近但沒有達(dá)到材料的抗拉強(qiáng)度，因而T形接頭未在壁板焊趾處開裂。另外，在充水試壓過程中，對于底板焊趾和壁板焊趾，哪個位置的綜合應(yīng)力先達(dá)到并超過罐體材料的抗拉強(qiáng)度，那個位置就會開裂。而一旦在某一焊趾處開裂，就將大幅度釋放T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫的殘余應(yīng)力，也就不會造成在另一焊趾處同時開裂。由于充水試驗過程中底板沉降變形在底板焊趾處的附加應(yīng)力明顯高于在壁板焊趾處的附加應(yīng)力，使得底板焊趾處的綜合應(yīng)力先達(dá)到罐體材料的抗拉強(qiáng)度，因此，T形接頭會在底板焊趾處開裂。對比T13罐兩焊趾處的焊接殘余應(yīng)力、變形附加應(yīng)力以及開裂位置可以看出，底板變形附加應(yīng)力才是T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫焊趾開裂的直接誘導(dǎo)因素。

T14罐T形接頭底板焊趾和壁板焊趾綜合應(yīng)力分別為615 MPa和622 MPa， 均低于罐體材料12MnNiVR鋼的抗拉強(qiáng)度， 因而T14罐的T形接頭未發(fā)生開裂。該判斷結(jié)果與實際情況一致。

6 結(jié)論

采用模擬實驗與數(shù)值計算相結(jié)合的方式，以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)揭示了T13儲罐T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫開裂的原因。經(jīng)過分析得到以下結(jié)論：

1) 如果支撐環(huán)梁不發(fā)生沉降，在其支撐下，僅環(huán)梁內(nèi)側(cè)儲罐底板變形對T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫的應(yīng)力狀態(tài)幾乎沒有影響；

2) 在充水試壓過程中，由于充水靜壓和底板不均勻沉降變形，特別是環(huán)梁沉降造成的變形在T13罐T形接頭內(nèi)產(chǎn)生320 MPa的附加應(yīng)力，但未超過罐體12MnNiVR鋼的抗拉強(qiáng)度。因此，單獨由T13罐底板不均勻沉降造成的附加應(yīng)力未達(dá)到使T13罐T形接頭開裂的應(yīng)力水平。

3) 對儲罐T形接頭多層多道焊接殘余應(yīng)力計算分析結(jié)果表明， T13罐T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫殘余應(yīng)力為385 MPa， 低于罐體12MnNiVR鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。因此， T形接頭內(nèi)的焊接殘余應(yīng)力不會直接導(dǎo)致T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫開裂。

4) T13罐T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫開裂的直接原因為T13罐底板不均勻沉降變形，特別是環(huán)梁沉降造成的變形，該變形在T形接頭造成較大的附加應(yīng)力，與T形接頭原有的焊接殘余應(yīng)力疊加造成開裂，而底板變形附加應(yīng)力則是T形接頭內(nèi)側(cè)角焊縫開裂的直接誘導(dǎo)因素。