某水電廠空氣儲罐人孔門焊縫裂紋原因分析與處理工藝

向 華，吳正發(fā)

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410076）

1 引言

某水電廠氣系統(tǒng)空氣儲罐為II 類立式固定壓力容器，設(shè)計壓力9.2 MPa，焊縫系數(shù)1.0，儲罐公稱直徑DN800，筒體材質(zhì)Q345R，壁厚26 mm。接管材質(zhì)20 號，接管規(guī)格：108×6 mm。人孔門帶補強圈，補強圈材質(zhì)Q345R，厚度26 mm，外徑760 mm。空氣儲罐實際運行時，最大壓力7.9 MPa，壓力變化范圍7.3～7.9 MPa。

2020 年氣系統(tǒng)空氣儲罐檢修時，無損檢測發(fā)現(xiàn)人孔門外側(cè)和內(nèi)側(cè)焊縫（D 類焊縫）超標(biāo)缺陷10 條，總長度約397 mm。其中裂紋8 處，人孔門外側(cè)焊縫單條裂紋長度達100 mm，人孔門內(nèi)側(cè)焊縫最大尺寸裂紋長度達90 mm。壓力容器人孔門焊縫裂紋危害性極大，嚴重危害空氣儲罐安全運行，應(yīng)對裂紋的情況和產(chǎn)生原因進行分析，采取有效措施，保證空氣儲罐和機組正常運行。

2 空氣儲罐人孔門焊縫裂紋情況

2020 年06 月，某水電廠對氣系統(tǒng)1 號空氣儲罐檢修，無損檢測發(fā)現(xiàn)人孔門外側(cè)焊縫（補強圈內(nèi)側(cè)位置焊縫）2 處超標(biāo)缺陷，編號外1 號、外2 號見圖1，其中外1 號為裂紋，形貌見圖2。人孔門內(nèi)側(cè)焊縫檢測發(fā)現(xiàn)8 處超標(biāo)缺陷，分別編號內(nèi)1 號～內(nèi)8 號見圖3，其中內(nèi)1 號～內(nèi)7 號為裂紋，內(nèi)8 號為焊縫內(nèi)部超標(biāo)缺陷。內(nèi)3 號裂紋形貌見圖4，內(nèi)6號裂紋形貌見圖5。超標(biāo)缺陷尺寸和特點見表1。

表1 某水電廠空氣儲罐人孔門焊縫超標(biāo)缺陷

外1 號裂紋與焊縫內(nèi)部缺陷（判斷為原始制造缺陷）連接，貫穿整個人孔門補強圈板厚度。內(nèi)3號裂紋和內(nèi)8 號缺陷正投影重合，可能連接在一起。外1 號和內(nèi)3 號裂紋是人孔門內(nèi)、外側(cè)焊縫兩處長度最大的裂紋，均位于焊縫焊接熔合線區(qū)域，外1 號、內(nèi)2 號和內(nèi)4 號～內(nèi)7 號均位于焊縫上。內(nèi)6 號裂紋呈“工”字型形貌，其他裂紋呈橫向，基本位于焊接搭接位置，判斷為焊縫表面裂紋，可能為焊接搭接未熔合，外2 號缺陷宏觀可見為焊接搭接位置超標(biāo)缺陷。

圖1 空氣儲罐人孔門外側(cè)焊縫超標(biāo)缺陷示意圖

圖2 外1 號裂紋形貌

圖3 空氣儲罐人孔門內(nèi)側(cè)焊縫超標(biāo)缺陷示意圖

圖4 內(nèi)3 號裂紋形貌

圖5 內(nèi)6 號裂紋形貌

3 裂紋產(chǎn)生原因

綜合分析空氣儲罐投運年限，運行狀況，現(xiàn)場查看焊縫成形質(zhì)量和缺陷產(chǎn)生的位置，判斷人孔門焊縫缺陷產(chǎn)生主要有以下幾個原因：

（1）焊接工藝不合理，焊接質(zhì)量差是造成裂紋缺陷的主要原因。本次發(fā)現(xiàn)人孔門內(nèi)、外側(cè)焊縫最大尺寸裂紋的位置，均在焊縫內(nèi)部發(fā)現(xiàn)焊接超標(biāo)缺陷。其他裂紋和表面超標(biāo)缺陷基本位于焊接搭接位置，判斷為焊接搭接未熔合。人孔門內(nèi)側(cè)焊縫表面成形質(zhì)量差，存在明顯咬邊、未焊滿缺陷，并且焊縫未圓弧過渡，焊縫高度參差不齊。焊縫熔合線區(qū)域是焊縫最薄弱位置，應(yīng)力集中區(qū)域，焊縫咬邊、未焊滿、未熔合、焊縫余高不均等會進一步加劇應(yīng)力集中，在空氣儲罐運行過程中，裂紋容易在上述焊接缺陷位置萌發(fā)和擴展。

（2）由于結(jié)構(gòu)和幾何尺寸的變化，壓力容器人孔門接管補強圈位置會產(chǎn)生較大的應(yīng)力梯度和復(fù)雜應(yīng)力分布，同時由于在孔邊的明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得補強圈區(qū)成為最薄弱的環(huán)節(jié)之一[1]。另外，空氣儲罐人孔門接管補強圈為單面V 型坡口，容易產(chǎn)生未清根缺陷，成為裂紋萌發(fā)源，并擴展至焊縫表面?，F(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)大量焊縫根部超標(biāo)缺陷，外1 號裂紋與內(nèi)部超標(biāo)焊接缺陷連接，貫穿補強板厚度。

（3）空氣儲罐出廠驗收檢驗不嚴謹，只對A 類、B 類焊縫進行檢測，未對人孔門D 類焊縫進行檢測。電廠對 人孔門等D 類焊縫檢驗重視不夠，按照行業(yè)規(guī)則放松了人孔門焊縫驗收檢驗程序和質(zhì)量控制要求[2]，查驗電廠存檔的驗收資料，沒有人孔門焊縫無損檢測相關(guān)資料。

4 處理思路和焊接工藝

4.1 處理思路

由于人孔門補強圈單坡口焊縫，制造過程中無法避免存在焊接缺陷，不可能對整條補強圈內(nèi)側(cè)焊縫全部剖挖和重新焊接，故此次修復(fù)不可能徹底解決人孔門焊縫制造中所遺留的問題，從控制焊接工藝、焊縫內(nèi)部質(zhì)量和焊縫成形等方面提高焊縫修復(fù)質(zhì)量[3]，并且通過加強使用管理和技術(shù)監(jiān)督等方面制定處理思路和預(yù)防措施。

（1）提高焊接工藝，保證焊接質(zhì)量。制定合理的焊接工藝，選用高水平焊工，保證焊接質(zhì)量。返修位置的焊縫內(nèi)部不允許存在未熔合、未焊透和裂紋等。對原來焊縫咬邊、未焊滿的區(qū)域修磨和補焊處理。

（2）控制焊縫表面成形質(zhì)量和尺寸。焊縫表面成形質(zhì)量和尺寸符合標(biāo)準要求，不存在咬邊、未焊滿、裂紋等缺陷，焊縫進行修磨，去除多余的焊接余高，進行圓弧過渡處理，并且經(jīng)過無損檢測驗收合格，無焊接搭接未熔合缺陷。

（3）加強使用管理和技術(shù)監(jiān)督。按照國家標(biāo)準和行業(yè)標(biāo)準要求，及時開展空氣儲罐定期安全檢測，年度檢查和定期檢驗。將發(fā)現(xiàn)缺陷的焊縫區(qū)域列為下一個周期檢測（檢查）的重點項目和位置。對其他空氣儲罐開展同位置的專項檢測，同時應(yīng)創(chuàng)造條件，對空氣儲罐開展內(nèi)部表面缺陷檢測，以發(fā)現(xiàn)和及時處理可能存在的缺陷。

4.2 焊接工藝

（1）缺陷確認。返修前，對裂紋及其附近區(qū)域進行磁粉檢測，確認裂紋位置、尺寸。外1 號和內(nèi)3 號使用超聲波檢測，確認其走向和深度，并做好記錄，作為返修的依據(jù)。

（2）裂紋清除和坡口制備。采用“碳弧氣刨+角磨機”方式打磨清除缺陷。清除前，將人孔接管外側(cè)、罐體內(nèi)側(cè)焊縫周圍150 mm 范圍內(nèi)的油漆涂層、鐵銹、油污等雜物清理干凈，必要時用角磨機打磨至金屬光澤。

人孔門接管補強圈內(nèi)側(cè)位置外1 號、外2 號缺陷清除步驟如下：1）碳弧氣刨前，用噴槍對整個補強圈和焊縫加熱，并對補強圈進行錘擊。碳弧氣刨沿裂紋方向分層次進行刨削，每次刨削深度不超過5 mm，每一次刨削完成后目視檢查裂紋分布及走向。2）經(jīng)目視檢查無裂紋后，再磁粉檢測是否還存在缺陷。若存在裂紋，則繼續(xù)刨削至裂紋完全清除。3）裂紋清除后，修制坡口，坡口型式見圖6。坡口修制完成后，再次磁粉檢測，確定缺陷已徹底清除。

內(nèi)1 號～8 號缺陷處于壓力容器內(nèi)部，使用角磨機打磨清除。考慮到其缺陷多，且性質(zhì)有差別。內(nèi)3 號裂紋位于熱影響區(qū)熔合線區(qū)域，內(nèi)8 號缺陷為焊縫內(nèi)部超標(biāo)缺陷，其他缺陷為焊縫表面裂紋且多位于焊接搭接位置，清除具體步驟如下：1）打磨前，對缺陷位置進行標(biāo)記，防止切削后弄錯混淆。2）首先整條焊縫進行打磨，對所有缺陷進行第一次清理，打磨深度不超過5 mm，然后對包括內(nèi)3 號在內(nèi)的還存在的缺陷和裂紋進行重點清除。打磨時長度應(yīng)沿裂紋兩端方向各延伸50 mm。3）修制坡口時，應(yīng)對坡口范圍內(nèi)進行全部打磨，角磨機打磨切削厚度不小于1 mm，坡口兩側(cè)（母材和原焊縫側(cè)）不少于20 mm。所有焊接坡口應(yīng)磁粉檢測驗收合格。4）嚴禁隨意進行切削，以免造成弧坑過深過寬，使焊接時焊縫過寬。蓋面時焊縫寬度不大于20 mm 為宜。

圖6 坡口形式和尺寸

（3）焊接過程。采用手動焊條電弧焊方法，擺動進焊。焊接規(guī)范參數(shù)見表2。

1）焊接前，清除補強圈、坡口及附近母材的油漆涂層、油、水、銹等影響焊接質(zhì)量的有害雜質(zhì)，并對焊接坡口周圍罐體母材進行防護。

2）每道焊施焊前應(yīng)進行焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度不低于100℃，最高不高于300℃.連續(xù)施焊時道間溫度應(yīng)不高于300℃。焊條預(yù)先加熱，放于保溫桶中密封保溫，隨用隨取，嚴禁暴露于空氣中。

3）施焊過程應(yīng)按照如下要求：①嚴禁在坡口之外的母材表面引弧和試驗電流，防止電弧擦傷母材。②保證起弧和收弧處的質(zhì)量，收弧時應(yīng)將弧坑填滿，多層焊的層間接頭要錯開。③每道焊縫應(yīng)一次焊完，當(dāng)因故中斷時，應(yīng)根據(jù)工藝要求重新起焊，防止產(chǎn)生裂紋。再次焊接前應(yīng)檢查焊層表面，確認無裂紋時，方可按原工藝進行焊接。④焊縫分層按道循序焊接，焊接順序為先焊接一層一道，再焊接二層一道、二道，之后再焊接三層一道、二道，直至焊接完成，焊縫所需焊層焊道應(yīng)根據(jù)施焊具體需要。

表2 焊接規(guī)范參數(shù)

（4）焊后熱處理。1）焊完后立即去除渣皮、飛濺物，清理干凈焊縫表面，采用進行履帶式電加熱保溫。焊后保溫溫度為200～350℃，保溫時間不得少于2 h。2）整條焊縫焊接完成后或因本次本道焊完成后無法再繼續(xù)進行施焊時，按照1）中要求已完成焊縫應(yīng)立即進行焊后保溫。

（5）焊接后無損檢測。1）焊縫外觀尺寸和質(zhì)量經(jīng)宏觀檢查合格，應(yīng)符合國家和行業(yè)標(biāo)準規(guī)范的規(guī)定，焊縫高度不低于母材料表面，焊縫應(yīng)與母材凹形圓滑過渡，焊縫寬度不大于20 mm。焊縫及熱影響區(qū)無咬邊，無夾渣、弧坑、氣孔和裂紋等缺陷。2）冷卻至室溫24 h 后，外1 號、內(nèi)3 號和內(nèi)8 號補焊后區(qū)域應(yīng)進行磁粉檢測和超聲波檢測合格，其他位置裂紋處理后應(yīng)進行磁粉檢測合格。返修位置無損檢測I 級驗收合格。

5 技術(shù)監(jiān)督建議

水電廠（站）空氣儲罐是機組重要組成部分，主要給調(diào)速器壓油槽、氣閘等供氣，一旦由于裂紋等缺陷導(dǎo)致漏氣，甚至爆裂，將嚴重危害機組安全運行，應(yīng)按照標(biāo)準開展使用管理和技術(shù)監(jiān)督。

（1）壓力容器至少每月進行一次定期安全檢查，每年對所使用的壓力容器至少進行一次年度檢查，并按照評定的安全等級及時開展定期檢驗[4]。

（2）對具備開罐進入內(nèi)部檢測的壓力容器，應(yīng)進行內(nèi)部表面缺陷檢測，尤其加強人孔門內(nèi)側(cè)焊縫和各種管、閥門座與筒體連接角焊縫表面裂紋檢測。鐵磁性材料致壓力容器表面缺陷檢測應(yīng)優(yōu)先選用磁粉檢測。對不具備開罐內(nèi)部檢測條件的壓力容器，可以在外表面采用其他方法對內(nèi)表面進行檢測[5]。

（3）本次檢測發(fā)現(xiàn)裂紋和其他缺陷的焊縫位置應(yīng)作為日常巡查重點，并列入下一周期年度檢查和定期檢驗的必檢位置。結(jié)合檢修安排，對廠里所使用的空氣儲罐相同位置開展全面專項檢測，以便及時發(fā)現(xiàn)和處理可能存在的缺陷。

6 結(jié)語

（1）某水電廠氣系統(tǒng)空氣儲罐人孔門焊縫發(fā)現(xiàn)大量裂紋和內(nèi)部超標(biāo)缺陷。最大尺寸的裂紋分布在熔合線區(qū)域，其他位置的裂紋分布于焊接搭接區(qū)域。裂紋從焊接熔合線薄弱區(qū)域、焊接未完全熔合搭口處萌發(fā)和擴展。

（2）焊接工藝不合理，焊接質(zhì)量差是本次裂紋產(chǎn)生的主要原因?？諝鈨尥鈧?cè)人孔補強圈存在較大應(yīng)力梯度和復(fù)雜應(yīng)力分布，孔邊存在明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，是最薄弱的環(huán)節(jié)之一。人孔門補強圈焊縫為單面V 型坡口，焊縫內(nèi)部存在焊接缺陷。空氣儲罐人孔門內(nèi)側(cè)焊縫表面成形差，未做表面凹形圓弧過渡，外形尺寸不符合要求，余高過高且參差不齊，存在咬邊、未焊滿、焊接搭接未完全熔合等缺陷。焊縫熔合線區(qū)域是焊縫最薄弱位置，上述缺陷位置進一步加劇應(yīng)力集中，在儲罐運行過程中，裂紋在上述焊接缺陷位置萌發(fā)和擴展。

（3）通過改善焊接工藝，提高焊接質(zhì)量，加強使用管理和技術(shù)監(jiān)督等措施來處理和預(yù)防空氣儲罐人孔門焊縫裂紋問題。