某球罐定期檢驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)的裂紋成因分析及處理對策

杜輝 劉亞庭 趙二虎(咸陽市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，陜西 咸陽 712000)

0 引言

某液化石油氣球罐進(jìn)行定期檢驗(yàn)時，按照TSG 21—2016《固定式壓力容器安全監(jiān)察規(guī)程》(以下簡稱《固容規(guī)》)中有關(guān)無損檢測的要求，對其內(nèi)部縱縫進(jìn)行熒光磁粉檢測，檢測比例為20%[1]，發(fā)現(xiàn)一條縱縫的熔合線附近存在一條裂紋。

1 儲罐的基本參數(shù)

儲罐的基本參數(shù)如表1 所示。

表1 儲罐的基本參數(shù)

2 檢驗(yàn)情況

該壓力容器于2016 年7 月20 日安裝竣工完畢并投入使用，已按要求辦理使用登記證，各手續(xù)合法。按照《固容規(guī)》有關(guān)定期檢驗(yàn)的要求，使用單位于設(shè)備投用后三年內(nèi)申請定期檢驗(yàn)，我機(jī)構(gòu)根據(jù)《固容規(guī)》的要求，編制了專用檢驗(yàn)方案，方案要求對其內(nèi)壁縱縫進(jìn)行熒光磁粉檢測，檢測中發(fā)現(xiàn)縱縫邊緣附近存在裂紋(圖1)，斷斷續(xù)續(xù)，合并和長大約500mm。

圖1 球罐縱縫檢測的裂紋

3 成因分析

發(fā)現(xiàn)裂紋的設(shè)備是在役設(shè)備，首先考慮的是環(huán)境開裂，根據(jù)《承壓設(shè)備損傷模式識別》對環(huán)境開裂的描述，環(huán)境開裂分為氯化物開裂、堿應(yīng)力腐蝕開裂、氨應(yīng)力腐蝕開裂、液體金屬脆斷、氫脆、連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂、胺應(yīng)力腐蝕開裂、濕硫化氫破壞、氫氟酸致氫應(yīng)力開裂、碳酸鹽應(yīng)力腐蝕開裂、硝酸鹽應(yīng)力腐蝕開裂、氫氰酸致氫應(yīng)力開裂、高溫水應(yīng)力腐蝕開裂等[2]?？紤]到壓力容器所盛介質(zhì)為液化石油氣，考慮最可能的破壞是濕硫化氫破壞。因此，對裂紋進(jìn)行打磨，并對裂紋處、母材處和焊縫處進(jìn)行采用便攜式硬度計(jì)在現(xiàn)場進(jìn)行了硬度測試，發(fā)生裂紋處的硬度值最高。根據(jù)以往承壓類設(shè)備開裂失效的分析方法，金相檢驗(yàn)的幫助分析開裂原因的有效手段，因此，對焊縫、熱影響區(qū)、母材處進(jìn)行金相檢驗(yàn)。

圖2 焊縫結(jié)構(gòu)

金相檢驗(yàn)結(jié)果：

(1)由圖3 金相檢驗(yàn)的結(jié)果可以看出，母材組織是鐵素體+珠光體，鐵素和和珠光體是該球罐制造材料Q345R 在常溫下的正常組織，但是從金相顯微鏡的鏡頭下，可以發(fā)現(xiàn)母材組織呈現(xiàn)出組織不均勻的跡象。

圖3 母材組織

(2)由圖4 焊縫及融合區(qū)組織的金相檢驗(yàn)結(jié)果可知，在融合線外側(cè)的熱影響區(qū)，出現(xiàn)了馬氏體組織(見圖4 上半部分)，該馬氏體組織呈板條狀，組織較母材處更為致密，為更深入了解其形貌，另外選擇了兩處馬氏體組織進(jìn)行金相顯微觀察，發(fā)現(xiàn)所選擇的兩處均有微觀裂紋，裂紋形貌特征為沿晶界擴(kuò)展，但也有的是穿晶開裂，這和延遲裂紋的特征比較像(見圖5 和圖6)。比對無損檢測結(jié)果，此處雖在磁粉檢測的范圍以內(nèi)，但是由于受磁粉檢測靈敏度所限，即使采用對鐵磁性材料具有最高靈敏度的熒光磁粉檢測，也未發(fā)現(xiàn)此類裂紋。

圖4 焊縫及融合區(qū)組織

圖5 熱影響區(qū)微裂紋

圖6 熱影響區(qū)微裂紋2

(3)對此球罐中，上下極、赤道線的附近縱縫及熱影響區(qū)、母材處進(jìn)行打磨、金相檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)焊接接頭熔合線外側(cè)的熱影響區(qū)也出現(xiàn)馬氏體組織，對各位置的環(huán)縫隨機(jī)抽取進(jìn)行金相檢驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)馬氏體組織。即，只要有焊縫在，附近就能發(fā)現(xiàn)馬氏體組織。

裂紋成因分析：馬氏體是碳在α-Fe 中的過飽和固溶體，它是鋼在奧氏體化后快速冷卻到馬氏體點(diǎn)以下發(fā)生無擴(kuò)散性相變的產(chǎn)物，因此它自形成之時起就產(chǎn)生了很大的相變應(yīng)力。此球罐的制造材料為Q345R，這種材料所形成的馬氏體組織是硬而脆的，給材料的強(qiáng)度、塑性、韌性指標(biāo)帶來極大的影響。

從上述金相檢驗(yàn)結(jié)果可知，母材的顯微組織不均勻，導(dǎo)致微觀化學(xué)成分也不均勻，而且只要有焊接接頭的地方，在其熱影響區(qū)附近總能發(fā)現(xiàn)硬而脆給材料性能帶來嚴(yán)重影響的馬氏體組織。金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的微觀裂紋還呈現(xiàn)出冷裂紋的特征。

Q345R 材料的焊接性能較好，但是和普通的低碳鋼相比，它的合金元素含量稍大。因此其淬硬傾向和發(fā)生冷裂紋的傾向都比普通低碳鋼要稍大，施焊時如果在低溫環(huán)境、大剛度、大厚度結(jié)構(gòu)上進(jìn)行小規(guī)范施焊，就可能出現(xiàn)馬氏體組織，甚至可能出現(xiàn)裂紋。從發(fā)現(xiàn)裂紋的位置和金相檢驗(yàn)的結(jié)果看來，發(fā)現(xiàn)裂紋的位置是球罐組裝時剛度較大的位置，而且球罐的壁厚也較厚，應(yīng)該是焊接參數(shù)不當(dāng)，導(dǎo)致在焊接接頭的熱影響區(qū)產(chǎn)生了馬氏體組織，在組織應(yīng)力及焊接殘余應(yīng)力和盛裝介質(zhì)壓力的共同作用下熱處理時產(chǎn)生微觀裂紋，微觀裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展成為宏觀裂紋。而所盛裝介質(zhì)為液化石油氣，可能是含有濕H2S，在腐蝕介質(zhì)和各種介質(zhì)的作用下，極易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。對于壁厚為48mm 材料為Q345R 制造的球罐，應(yīng)采取預(yù)熱措施，根據(jù)GB 12337—2014《鋼制球形儲罐》表28 的要求[3]，預(yù)熱溫度保持在125～175℃，且預(yù)熱的范圍至少應(yīng)在焊縫中心線144mm 以外，但查安裝竣工資料，發(fā)現(xiàn)關(guān)于預(yù)熱的記錄不全，預(yù)熱溫度和預(yù)熱范圍都已無從考證，應(yīng)是管理不夠規(guī)范所致；施焊日期為12 月，環(huán)境溫度較低，不預(yù)熱或者預(yù)熱不足也會發(fā)生淬硬傾向或者直接產(chǎn)生裂紋。且竣工資料對球罐的整體消除應(yīng)力熱處理記錄也不全。

4 缺陷處理措施

(1)召集球罐安裝監(jiān)督檢驗(yàn)人員、安裝單位當(dāng)時的施工負(fù)責(zé)人，調(diào)取相關(guān)記錄資料，對該球罐安裝時焊接參數(shù)及熱處理狀態(tài)進(jìn)行徹底調(diào)查。

(2)對所有的內(nèi)壁焊縫進(jìn)行熒光磁粉檢測，對發(fā)現(xiàn)的裂紋進(jìn)行打磨消除處理，消除后同時進(jìn)行磁粉、滲透、以及金相檢驗(yàn)，確認(rèn)徹底消除。

(3)對球罐重新進(jìn)行整體熱處理，改善焊縫及熱影響區(qū)組織及應(yīng)力狀態(tài)。對焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行年度磁粉及金相抽查，以及時發(fā)現(xiàn)微觀裂紋的萌生及擴(kuò)展。

5 結(jié)語

只要嚴(yán)格按照《固容規(guī)》的要求，對設(shè)備進(jìn)行定期檢驗(yàn)，就能夠發(fā)現(xiàn)可能給人民生命財產(chǎn)安全打來嚴(yán)重?fù)p失的缺陷。本次檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的缺陷，使用單位處理耗資50 萬余元，這是由于前期施工單位未按國家標(biāo)準(zhǔn)、特種設(shè)備安全技術(shù)法規(guī)的要求造成的。本次制造缺陷的發(fā)現(xiàn)，也對施工單位造成了不小的名譽(yù)損失，因此，對于特種設(shè)備行業(yè)而言，設(shè)計(jì)，生產(chǎn)，使用，檢驗(yàn)等各環(huán)節(jié)都應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，這樣才能真正保障安全。