在役球形儲罐定期檢驗及缺陷分析

劉鵬鵬,薛永盛,婁旭耀,馮精良,李玉軍

(河南省鍋爐壓力容器檢驗技術科學研究院,河南 鄭州 450016)

球形儲罐是一種重要的儲存容器,一般由上極板、上溫帶、赤道帶、下溫帶、下極帶、支柱等組成(不同容積的球形儲罐帶數(shù)不同)。其具有應力分布均勻、承載壓力大的特點。因同樣工況下所用的鋼板厚度僅為圓筒形壓力容器的一半,同時還具有表面積較小、占地面積較小,可以大量節(jié)省材料等優(yōu)點,被廣泛應用于石油、化工、冶金、能源、氣體等工業(yè)領域[1]。通常球形儲罐中的存儲介質具有極度高度危害或者易燃易爆的特點,一旦容器出現(xiàn)損傷失效,不僅會造成球罐本身的損壞,嚴重情況下會引發(fā)極大的火災爆炸事故,進而造成嚴重的人員傷亡,財產(chǎn)損失等災難性的后果[2]。在役球形儲罐的定期檢驗中,焊接接頭是球形儲罐產(chǎn)生缺陷的主要部位之一,尤其是球殼板焊縫經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)超出TSG 21-2016《固定式球形儲罐安全技術監(jiān)察規(guī)程》中相關要求的缺陷,易存在裂紋、夾渣、氣孔、未熔合、未焊透、幾何偏差、電弧擦傷及咬邊等。在實際生產(chǎn)運行中,球形儲罐的損傷主要發(fā)生在應力集中部位,快速的定位球形儲罐的應力集中區(qū)域,可以有針對性進行檢測甚至監(jiān)測,提前發(fā)現(xiàn)和判斷球形儲罐的損傷,在預防事故發(fā)生方面有著重要的意義[3-4]。

文章匯總2017年以來某省定期檢驗的球形儲罐(共計48臺),并對這48臺球形儲罐缺陷進行統(tǒng)計分析,對所發(fā)現(xiàn)缺陷的球形儲罐從體積、使用介質、材質、工作壓力、使用年限、檢測方法、缺陷類型等進行數(shù)據(jù)分析。對缺陷產(chǎn)生重點部位進行歸納、統(tǒng)計分析,為同行業(yè)球形儲罐檢驗提供經(jīng)驗參考。

1 球形儲罐缺陷分析

此次用于分析的球形儲罐使用日期從3 a～25 a,容積從200 m3～5 000 m3,工作壓力0.16 MPa～3.0 MPa。球形儲罐定期檢驗的項目主要是宏觀檢查、測厚檢查、磁粉檢測、超聲波檢測、TOFD檢測、水壓試驗等。重點研究所統(tǒng)計的48臺球形儲罐中表面裂紋缺陷和埋藏超標缺陷(含裂紋),并對此類缺陷進行分析。該部分球罐的容積和介質的分布情況見圖1和圖2。

圖1 不同容積球罐檢驗臺數(shù)

圖2 不同介質球罐檢驗臺數(shù)

1.1 表面裂紋位置分布

針對球形儲罐表面檢測均采用磁粉檢測的方法進行,且均為內(nèi)表面檢測比例100%,覆蓋所有焊縫。柱腿角焊縫磁粉探傷一般以抽查2個柱腿進行。檢測過程中,最常見的缺陷形式就是表面裂紋,其發(fā)生的位置也并不具有單一性?？紤]環(huán)焊縫、縱焊縫、極板拼縫、柱腿角焊縫以及接管人孔焊縫等球罐中典型位置,將球罐檢驗出現(xiàn)的所有表面裂紋進行統(tǒng)計,在基于裂紋總數(shù)的條件下,各個部位所占裂紋總數(shù)比例見圖3。由此可以說明內(nèi)表面環(huán)焊縫是表面裂紋產(chǎn)生的高發(fā)區(qū)域,占總裂紋數(shù)量的76.5%,在所檢驗的球罐中,均在環(huán)焊縫發(fā)現(xiàn)了表面裂紋缺陷?？v焊縫和極板拼縫在檢測過程中發(fā)現(xiàn)的表面裂紋較少。在球罐外側檢驗中,將柱腿和接管角焊縫進行表面檢測,結果發(fā)現(xiàn),柱腿角焊縫發(fā)現(xiàn)裂紋數(shù)量占總裂紋數(shù)量的6.2%,共計23臺球罐柱腿角焊縫存在表面裂紋缺陷,接管角焊縫發(fā)現(xiàn)的缺陷相對較少。

圖3 裂紋產(chǎn)生位置分布圖(基于裂紋總數(shù))

1.2 介質對內(nèi)表面裂紋的影響

介質的腐蝕作用是球罐使用過程中萌生和擴展裂紋的重要因素之一。在統(tǒng)計的球罐介質中,有儲存液化石油氣介質,該介質中含有H2S雜質,H2S在一定條件下會對球殼板產(chǎn)生應力腐蝕裂紋。除去液化石油氣,所統(tǒng)計的球罐中,有不少儲存丙烷、丁烷、液氨等腐蝕敏感性較弱的介質。從檢驗結果來看,同容積下儲存液化石油氣介質的球罐表面裂紋存在的數(shù)量更多。文章以1 000 m3容積的球罐為例,表面裂紋總量見表1。

表1 內(nèi)表面裂紋與介質情況統(tǒng)計表

1.3 需返修內(nèi)表面裂紋數(shù)量及分布

對于檢測出的表面裂紋,由于裂紋本身的長度、深度、位置等不同,造成的危害程度也不盡相同。對于表面裂紋,檢測發(fā)現(xiàn)后首要的處理方式是進行打磨消除,若其能夠通過淺表面進行打磨消除之后,就不需要進行焊補返修工作。反之若由于表面裂紋的深度較大,打磨后的凹坑超出TSG21-2016的規(guī)定,還需要進行補焊返修工作。

在所統(tǒng)計的48臺球形儲罐檢驗過程中,存在5臺球罐存在不能通過淺表面打磨消除的,需要進行補焊返修。在這5臺球罐中,共計返修的裂紋缺陷數(shù)量為15處。其中有13處處于環(huán)焊縫位置,2處處于柱腿角焊縫位置。

1.4 埋藏超標缺陷分析

對于球罐埋藏缺陷的檢測采用了常規(guī)超聲和TOFD檢測方法進行。檢驗結果中,存在埋藏缺陷的球罐有46臺。僅有2臺球罐未發(fā)現(xiàn)埋藏缺陷。此次統(tǒng)計的檢驗球罐中,共計發(fā)現(xiàn)354處埋藏缺陷,為便于分析,文章根據(jù)埋藏缺陷的安全狀況按照NB/T 47013.10-2015進行評級,其分布情況見圖4。整體來看,所發(fā)現(xiàn)的埋藏缺陷中,在縱焊縫,極板拼縫處發(fā)現(xiàn)的埋藏缺陷數(shù)量并不多,多數(shù)還是處于環(huán)焊縫位置。在32條缺陷被評為Ⅲ級的埋藏缺陷中,其分布位置均處于環(huán)焊縫位置。

圖4 埋藏缺陷安全狀況等級分布(基于埋藏缺陷總量)

在檢測過程中針對埋藏缺陷的定級處理依照TSG21-2016來進行。所檢驗出的缺陷安全狀況等級處于3級的,對該缺陷進行標記記錄,不做返修處理。但是對于安全狀況等級超過3級的未熔合、未焊透、條狀夾渣缺陷以及所有的埋藏裂紋缺陷進行返修處理。共計需要返修的裂紋數(shù)量為43條,占總發(fā)現(xiàn)埋藏缺陷數(shù)量的12.15%。選取其中返修的缺陷進行解剖后,得知埋藏裂紋缺陷形態(tài)見圖5,與對應的TOFD檢測圖譜見圖6。

圖5 埋藏裂紋解刨圖

圖6 埋藏裂紋TOFD檢測圖譜

2 定期檢驗時的檢測重點

2.1 環(huán)焊縫檢驗

在球罐的制造過程中,由于其自身的體積巨大,通常采用現(xiàn)場組裝焊接的方式進行。由于現(xiàn)場焊接環(huán)境較為復雜,再加上人為因素影響,所焊接的焊縫極易出現(xiàn)錯邊、氣孔、未焊透、裂紋和未熔合的缺陷。另一方面,球殼板組裝過程中通常采用定位斜鐵進行固定,并采用這種方式進行調(diào)整間隙和錯邊量,因此在組裝過程中較容易發(fā)生強力組裝的情況,進而產(chǎn)生一定的約束力。再之,球罐的焊接順序為先縱縫后環(huán)縫,這種的組裝順序對于縱縫的殘余應力影響不大,但是由于重力等其他因素的影響,環(huán)縫的組裝過程中更容易產(chǎn)生較大的應力,其發(fā)生缺陷的概率也相對較大[5-6]。

球形儲罐檢驗過程中統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),所發(fā)現(xiàn)的裂紋絕大部分集中在環(huán)縫及其熱影響區(qū),其分布情況與該球形儲罐的應力分布情況基本一致。因此,環(huán)焊縫的檢驗在監(jiān)檢和定檢中為檢驗重點位置。因此從檢驗結果來看,環(huán)焊縫表面裂紋缺陷占裂紋總量的比例較高,見圖7。因此對于檢驗過程中來說,磁粉檢測中,應加大對環(huán)焊縫檢測比例的抽查。

圖7 環(huán)焊縫表面裂紋占比

2.2 首次定期檢驗

球形儲罐投入使用后,在首個檢驗周期內(nèi)伴隨著制造過程中的殘余應力釋放,同時在介質的作用下,屬于標準允許范圍內(nèi)的缺陷可能會逐步擴展為超標缺陷。但是隨著定期檢驗周期次數(shù)的逐步增加,通過相關無損檢測手段檢出的缺陷數(shù)量也越來越少,多數(shù)的埋藏缺陷隨著應力的釋放也逐步的穩(wěn)定。因此球罐整個檢驗周期中,首次定期檢驗尤為重要,而且其相關焊縫的檢驗比例也應適當?shù)臄U大。

2.3 工卡具打磨與應力集中位置

球形儲罐焊接后,內(nèi)、外表面焊縫及工卡具處均經(jīng)打磨處理,但個別地方打磨不夠平整,存在凹坑,產(chǎn)生表面的不連續(xù),在凹坑的尖端導致應力集中,易引起開裂。如工卡具打磨部位與應力集中部位。

3 檢測方法的正確選用

3.1 磁粉檢測

NB/T47013.4-2015中規(guī)定,對于設備制造過程中采用高強度鋼以及對裂紋(包括冷裂紋、熱裂紋、再熱裂紋)敏感的材料,或者長期工作在腐蝕介質環(huán)境下有可能發(fā)生應力腐蝕裂紋的承壓設備,其內(nèi)壁應當采用熒光磁粉檢測的方法進行檢測。因此對于球罐內(nèi)部表面檢測中,應當盡量選用熒光磁粉,一些有應力腐蝕傾向的以及高強鋼的必須要熒光磁粉檢測進行。對于球罐外表面以及柱腿角焊縫可選用非熒光磁粉進行檢測。

3.2 TOFD檢測

在球形儲罐定期檢驗中,相對于TOFD檢測,常規(guī)射線和超聲檢測都具有一定的局限性。而TOFD檢測技術具有檢測效率高,檢測數(shù)據(jù)準確等優(yōu)勢,便使得其在球罐檢驗的應用中發(fā)揮出巨大的優(yōu)勢。

對于球形儲罐TOFD檢測,掃查面多選球形儲罐內(nèi)表面,由于球殼板的弧面因素,使得掃查面盲區(qū)相對較小。檢測區(qū)域由其高度和寬度表征,檢測區(qū)域高度為工件厚度。若對已發(fā)現(xiàn)缺陷部位進行復檢或已確定的重點部位,檢測區(qū)域可縮減至相應部位。針對埋藏性裂紋缺陷,TOFD有著獨特的優(yōu)勢。

目前在球形儲罐定期檢驗過程中, TOFD檢測方法已經(jīng)成為必不可少的檢測手段,該檢測方法在深度尺寸定位和相應的誤差不依靠信號振幅,具有檢測精度高、可靠性好等優(yōu)點。一般認為,其定量精度為±1 mm,監(jiān)測裂紋的增長能力為±0.3 mm,且采集的數(shù)據(jù)可以永久保存,同時球形儲罐對接焊縫結構形式簡單。因此TOFD檢測技術特別適用球形儲罐的檢測,同時也是有效能精確測量出裂紋增長的方法之一。

3.3 金相檢驗及硬度檢測

在石油化工儲存設備中,濕硫化氫腐蝕是普遍存在的問題,尤其是濕硫化氫對碳鋼和低合金鋼的應力腐蝕。通常情況下,影響硫化氫應力腐蝕的因素較多,如介質溶液的pH值,硫化氫濃度、介質溫度、容器材質等。對于容器材質來說,其含S、Ni、H的含量越高,鋼的強度和硬度就越大,相應的就容易受到硫化氫應力腐蝕。因此針對存貯液氨,液化石油氣等具有腐蝕性的介質的球罐,在檢測過程中若需要進行損傷模式識別,還需要進行硬度檢測和金相檢測,通過硬度值和金相圖并依據(jù)材料性能分析表面裂紋產(chǎn)生的原因。

4 總結

文章通過對5 a內(nèi)所檢驗的48臺球罐進行統(tǒng)計分析,并對定期檢驗的重點部位和適宜選用的檢測方法進行的討論,相關總結如下:

1)定期檢驗過程中應當將環(huán)焊縫和柱腿角焊縫作為檢驗重點進行,條件允許的情況下,盡可能擴大檢驗比例。

2)應當將首次定期檢驗作為球罐檢驗周期中重要的檢驗環(huán)節(jié),提高首檢中焊縫的檢測(表面檢測及埋藏缺陷檢測)比例,并對檢驗出的缺陷及時處理。

3)檢測手段方面,對于表面檢測應當選用熒光磁粉進行內(nèi)表面檢測,埋藏缺陷應當優(yōu)先選用TOFD進行檢測。