液化气球罐裂纹产生原因分析及修复

陆庆

摘要：在清洁能源发展背景之下，液化气球罐作为一种天然气存储设备在生产实践中具有重要的作用。重视液化气球罐的检修工作，通过整体热处理方式进行优化完善，可以充分保障液化气球罐的整体性能参数。基于此，本文针对液化气球罐裂纹产生原因分析及修复进行探讨分析，以供参考。

关键词：液化气；球罐；裂纹；原因；修复

引言

球罐是广泛用于储存化工介质的一类重要的压力容器，与同体积圆筒形容器相比，球罐具有容积大、多储存易燃易爆及有毒有害介质等特点，具有很大的安全隐患。因此，球罐的安全运行不仅关系到化工企业的正常生产，还与社会稳定有着重要联系。化工设备在湿硫化氢环境中的应力腐蚀开裂（SSCC）是一种发生频率较高，后果较为严重的破坏现象，特别是近年来随着我国原油深度开采和中东进口原油数量的增加，石油炼制业原料油中硫元素含量越来越高，使得湿硫化氢环境引起的应力腐蚀问题日益突出。我国约有40%的球罐是用来储存液化石油气的，由于液化石油气一般都含有一定的水分、硫化氢和少量的氰化物，共存于球罐，容易形成对球罐极易腐蚀开裂的湿硫化氢环境。

1裂纹产生原因及分析

1.1冷裂纹产生的必要条件

1.1.1氢

氢的主要来源是焊材与环境中的水汽、油污、铁锈等，在电弧的高温作用下，这些物质分解出氢原子部分焊接熔池中形成扩散氢。根据氢脆理论，这种氢将向应变集中区（如微裂纹或缺口尖端附近）扩散，当其氢浓度达到某一临界值时，促使焊缝破裂或缺陷扩展^[1]。

1.1.2应力

球罐的安装过程中一般先焊纵缝，后焊环缝，在组装过程中不免出现强力组对。这种组装方式对纵缝的组装应力不大，但造成环焊缝的组装应力较大，同时也为应力腐蚀提供了条件。这种应力在焊后整体热处理完成后也不可能完全消除，因此仍有焊后残余应力的存在。

1.1.3马氏体组织的含量

在热影响区板条状马氏体组织过多导致脆性较大，是产生冷裂纹的重要因素，尤其是焊缝熔合线区域极易产生冷裂纹。

1.2再热裂纹的产生

焊接完成后，焊接接头在一定温度范围内再次加热，消除应力过程而产生的裂纹为再热裂纹，又称消除应力处理裂纹（SR裂纹）。其产生原因与下列两条因素有关：一、与钢种所含合金元素（Cr、Mo、V、B）有关，如珠光体耐热钢中的V元素，会使SR裂纹敏感性显著增加；二、与加热速度和加热时间有关，不同的钢种存在不同的易产生再热裂纹的敏感温度范围^[2]。

1.3结晶裂纹的倾向

硫磷等微量元素的存在会大量产生焊接形成的小缺陷，如表面气孔、弧坑、裂纹等，易产生微裂纹，在球罐使用时裂纹易扩散。球罐焊条采用的焊接方法，焊接线能量的大小，焊接的预热及后热等不当，也易产生裂纹。

2裂纹的特征和防止产生的措施

2.1裂纹特征及分布特点

冷裂纹多数产生在熔合线母材金属侧，大多数为纵向，少数为横向，冷裂纹一般无分叉或分叉较少，断口发亮，为脆性断口，无氧化色彩。热裂纹多数产生在焊缝金属中，少数延伸到母材金属中去，既有纵向也有横向。热裂纹分叉较多，呈放射状，在弧坑处的裂纹呈星状，断面有明显的氧化色彩，呈蓝黑。

2.2防止产生裂纹的措施

选用对冷裂纹不敏感的材料，在选用母材时尽量选用碳当量低的材料。母材中的夹渣对焊接裂纹的产生有很大影响，因此选用钢材时应进行超声波检验，对于严重夹层等缺陷的钢材不得使用。在施焊过程中尽量减少氢的来源，采用低氢焊条，对焊条进行烘干使用，清除焊口的油污、水分、铁锈等，不在雨雪天气、相对湿度较大的天气下施工，采取有效的防风措施。选用适当的焊前预热温度和预热范围，适当的后热温度和后热时间，焊接过程中保持适当的层间温度，采用合适的线能量。在球罐组对过程中选用合适的工艺组对，防止强力组对。减小错边和角变形，焊后会存在强大残余应力。采用合理的焊接顺序，以及避免工艺缺陷的产生^[3]。

3裂纹缺陷的修补及返修后检测

3.1裂纹的控制

100%射线检测发现的裂纹等缺陷采用常规的返修工艺处理后，经射线检测复检底片评定均为合格。由于射线检测的局限性，为了防止裂纹缺陷的漏检，对焊缝又进行了100％超声波检测复验，在复验时发现局部仍有射线检测未发现的裂纹等缺陷，对此又进行了返修，经返修后重复进行100％超声波检测时，在上月牙缝、上环焊缝中大环缝内表面或近表面发现了大量的微裂纹，为了控制裂纹的继续发生和扩展，对球罐进行了消除应力热处理。

3.2裂纹缺陷的清除

裂纹等缺陷的检出，热处理后，首先对球罐环焊缝内表面打磨平，目的是清除焊缝表面裂纹。对外焊缝和经磨平后的内环焊缝表面进行100％磁粉检测，发现表面及近表面裂纹及时打磨消除并及时复检直至裂纹清除。采用超声波检测的方法，使用K1和K2探头对焊缝内部裂纹等缺陷进行准确定位，确定裂纹等的长度、深度以备返修处理。裂纹等缺陷的清除，根据裂纹缺陷的具体位置，利用碳弧气刨在已确定的缺陷部位缓慢清除，刨槽需刨整齐，有一定的坡口角度，包括两端也需有坡度，坡度掌握在50°左右。气刨时用焊缝检验规测量刨槽深度，当快到达缺陷深度时停止气刨，改用砂轮机打磨，当打磨清除缺陷后采用磁粉检测的方法，对刨槽部位实施检测，如果缺陷未清除干净，将继续打磨并磁粉检测，直至把裂纹缺陷清除干净为止。当遇有较长裂纹的情况，在气刨时必须慎重，必要时采取有效的方法以防止裂纹的延伸和扩展。并对打磨后形成的凹坑，按TSGR7001-2013第三十八条进行无量纲参数计算，满足相应的条件和允许范围，否则将进行补焊。

3.3补焊及修补后检测

补焊的主要步骤包括：焊条选用及焊前需经烘烤干燥。焊前预热，用火焰加热的方法。焊接过程由经验丰富的合格焊工担任，焊接参数控制严格按工艺要求。线能量的控制和层间温度的控制在补焊过程中至关重要，补焊部位必须连续施焊一次完成。焊后缓冷，补焊完成后，立即进行后热消氢处理。在补焊过程中焊道辅以磁粉检测，修补后的焊缝检测应在36小时后进行，且焊缝表面不得有咬边或影响检测的表面缺陷。修补后的检测及结果修补后采用射线、超声检测和磁粉三种无损检测方法检测。同时进行声发射辅助检测。具体操作如下：经修补的焊缝表面采用100%磁粉检测的方法，未发现裂纹等缺陷的磁痕显示。内部缺陷首先采用超声波检测，比例为100%，单面双侧，结果：无波幅在Ⅲ区的缺陷和Ⅱ区的超标缺陷。当超声波检测合格后，采用射线检测，修补部位的检测比例为100%，由于球罐规格为φ12300×48mm，因此，只能应用Ir192γ射线（源）全景曝光技术，为保证底片的像质灵敏度，透照技术参数及放射源的强度符合JB4730标准的规定性要求，胶片采用阿克发D4，源置于球罐中心，源的强度不小于110Ci，底片黑度控制在2.0～2.5之间，经复片合格。

结束语

结合本次球罐全面检验及检验报告LYG-RD(Q)-2013-A1450报告，在球罐的开罐检验时，当发现有裂纹性质的缺陷时，需要进行认真的分析认定，找出缺陷产生的主要原因，针对裂纹的特征和部位，按GB12337-2014《钢制球形储罐》和GB50094-1998《球形储罐施工及验收规范》制定修复方案，严格依据修复方案进行缺陷的返修检测，消除焊缝内及罐体内的应力，最后完成球罐的强度试验。

参考文献

[1]乔桢遴.液化石油气球罐裂纹的分析及处理[J].石油化工安全环保技术,2015,31(03):14-17+5-6.

[2]高买华. 液化气球罐裂纹修复技术研究[D].西安石油大学,2015.

[3]王成艳,窦雪飞,王成军,刘宝.液化气球罐裂纹分析及处理[J].石油化工设备技术,2014,35(02):34-36+6-7.