肖 鵬 凌 旸 旸

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院泰州分院 泰州 225400）

1 低溫液體CO2 儲罐概況

1.1 結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

某CO2提純企業(yè)一臺低溫液體CO2儲罐（以下簡稱儲罐）于2000 年8 月投入使用。結(jié)構(gòu)如圖1 所示，為單腔圓筒形單層板焊臥式容器，此結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況良好，故廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。儲罐的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 儲罐技術(shù)參數(shù)

（續(xù)表）

（續(xù)表）

圖1 儲罐結(jié)構(gòu)圖

1.2 歷次定期檢驗情況

儲罐投用后，于2003 年首檢，2008 年第2 次定期檢驗，檢驗結(jié)論為合格。2013 年第3 次定期檢驗，經(jīng)磁粉檢測和射線檢測，在S 區(qū)域發(fā)現(xiàn)20 條裂紋，裂紋位于儲罐內(nèi)表面，相互不連結(jié)，單獨存在，大部分為橫向裂紋，長度在10mm ～18mm。

2 裂紋缺陷及原因分析

2.1 裂紋缺陷及凹坑描述

裂紋出現(xiàn)在B4 焊縫西側(cè)的母材上，且位于A4 焊縫上方，整個裂紋區(qū)呈狹長條形。上述裂紋經(jīng)表面打磨后消除，但形成了長約2500mm，寬約40mm，深約4mm 的凹坑，凹坑東側(cè)邊緣距離B4 焊縫12mm，即為S 區(qū)域，見圖1。

2.2 母材開裂原因分析

該儲罐制造時采用埋弧自動焊，查閱相關(guān)文獻得焊接熱影響區(qū)寬度為2.3mm ～4.0mm[3]。因S 區(qū)域東側(cè)邊緣距離B4 焊縫12mm，故裂紋出現(xiàn)在母材上，遠離焊接熱影響區(qū)。相對于母材來講，焊接接頭位置為應(yīng)力集中區(qū)域，且影響焊接質(zhì)量的要素較多，使用中出現(xiàn)裂紋的概率應(yīng)大于母材，故《壓力容器定期檢驗規(guī)則》中也是要求對焊接接頭進行無損檢測。再之，根據(jù)HG 20585—1998《鋼制低溫壓力容器技術(shù)規(guī)定》中4.0.7 的要求，該儲罐用鋼板須逐張進行超聲波探傷，且級別不低于Ⅲ級；制造企業(yè)提供了一張原材料超聲波探傷報告，評定級別為Ⅰ級。裂紋出現(xiàn)在該儲罐母材位置，且互不干擾、成片出現(xiàn)，確實有些蹊蹺。通過對該部位進行硬度測試和金相組織分析，得知硬度為HB190、金相組織為鐵素體+珠光體，說明材料組織正常。后又進行了光譜分析，光譜分析結(jié)果和相應(yīng)標準要求見表2。鋼的成分對低溫性能有顯著影響，磷、碳、硅使鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，其中尤以磷、碳最為顯著，而錳和鎳會使脆性轉(zhuǎn)變溫度降低，對低溫韌性有利，硫?qū)︿摬牡摹盁岽唷毙杂休^大的不利影響。故現(xiàn)行標準GB 3531—2014《低溫壓力容器用鋼板》中P、S 含量較原標準均降低了0.005%。由表2 可知，鋼板的化學成分既符合原驗收標準，也滿足現(xiàn)行標準要求，說明鋼板化學成分正常。

表2 光譜分析結(jié)果

筆者而后詳細翻閱了出廠資料中的射線檢驗報告，發(fā)現(xiàn)大部分底片評定結(jié)果為Ⅰ級，唯獨B4 焊縫中第11 ～20 張底片全部評定為Ⅱ級，且與S 區(qū)域相重疊。接連10 張底片全部評定為Ⅱ級，對應(yīng)的母材上S 區(qū)域經(jīng)磁粉檢測又恰巧出現(xiàn)20 條裂紋，莫非是由于母材上的某些先天缺陷影響了當初的射線定級，使用過程中又得到擴展而形成了20 條裂紋？為了驗證推斷是否正確，在對缺陷未做任何處理的情況下，對S 區(qū)域及相連的部分B4 焊縫進行了射線檢測。由射線底片可知：B4 焊縫及相連的東側(cè)母材未見缺陷影像顯示，而相連的西側(cè)母材上存在26 處條形缺陷，缺陷長度在3mm ～5mm，其中20 處條形缺陷尖端存在裂紋，與磁粉檢測結(jié)果一致。接著將所發(fā)現(xiàn)的裂紋進行打磨（深約4mm），打磨時確實發(fā)現(xiàn)有夾雜物，裂紋消除后對B4 焊縫制造拍片時第11 ～20 張底片位置重新進行射線檢測，10 張底片全部評定為Ⅰ級。綜上易得：西側(cè)母材上的26 處條形缺陷導致制造時B4 焊縫中第11 ～20 張底片全部評定為Ⅱ級；經(jīng)過15 年的使用，由于環(huán)向應(yīng)力和低溫工況的共同作用，其中20 處條形缺陷尖端出現(xiàn)擴展而產(chǎn)生裂紋。

2.3 鋼板常見缺陷及成因

鋼板常見的缺陷可以分為表面缺陷、板形缺陷、整卷外觀缺陷、成分性能和幾何尺寸五類。其中表面缺陷主要可以分為5 個大類：1）麻點；2）折疊、劃傷；3）夾雜；4）結(jié)疤；5）裂紋[4]。其中鋼板表面存在的不規(guī)則點狀塊狀或車條狀非金屬夾雜物稱為表面夾雜，其顏色一般呈紅棕色、黃褐色、灰白色或灰黑色。產(chǎn)生表面夾雜的原因大致有：1）板坯皮下夾雜軋后暴露，或板坯原有的表面夾雜軋后殘留在鋼板表面上；2）加熱爐耐火材料及泥沙等非金屬物落在板坯表面上，軋制時壓入板面[5]；3）鋼水中的脫氧產(chǎn)物沒有充分上浮或在連鑄過程中塞棒波動和結(jié)晶器液面波動造成卷渣。根據(jù)各類缺陷的特點，結(jié)合底片和打磨時的情況，可判定該儲罐用鋼板局部存在夾雜缺陷，不滿足原驗收標準GB 3531—1996《低溫壓力容器用低合金鋼鋼板》中4.5.1“鋼板表面不得有裂紋、裂口、氣泡、結(jié)疤、折疊和夾雜等缺陷”的要求。由此可見，制造時B4 焊縫中第11 ～20 張底片不應(yīng)評定為Ⅱ級，而應(yīng)當按照不合格片處理。

3 缺陷處理

3.1 缺陷清除

對缺陷部位進行打磨，確保母材中的夾雜物和裂紋完全清除，并經(jīng)磁粉檢測和射線檢測確認。

3.2 補焊

打磨后形成凹坑S 區(qū)域，凹坑深度大于壁厚余量；凹坑半長A=1250mm，1.4≈254mm，凹坑半長A ＞1.4，故也不能進行無量綱參數(shù)計算。綜上，該凹坑不允許存在，要對其進行補焊[5]。

主要補焊工藝措施如下：

1）對板材進行焊前預熱，預熱溫度≥80℃。

2）焊接過程中采用手工電弧焊。

3）焊條選用J507RH，必須經(jīng)過350℃～430℃烘焙，然后放在100℃～150℃恒溫箱內(nèi)保溫，隨用隨取。

4）為避免焊縫及熱影響區(qū)形成粗大組織而使其沖擊韌性嚴重降低，焊接時采用較小的焊接線能量，具體要求是：焊接電流不宜過大，焊條盡量不擺動。每條焊縫的起弧和收弧處應(yīng)錯開20mm 以上，并注重起弧與收弧的質(zhì)量。每焊一層都應(yīng)仔細檢查，確定無缺陷后再焊下一層。

5）焊后熱處理：加熱溫度為610±10℃，保溫時間為2h，升溫至380℃以上時，升溫速度控制為50～80℃/h，降溫時，降溫速度控制在30～50℃/h，當溫度在380℃以下時自然冷卻。

6）進行磁粉檢測和射線檢測，確保無超標缺陷。

7）進行水壓試驗，pT=3.1MPa 無滲漏、無可見的變形、試驗過程中無異常的響聲方為合格。

4 建議

1）鋼板生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)嚴格按照GB 3531 的要求對鋼板進行出廠檢驗；壓力容器制造單位應(yīng)嚴格按照HG 20585 的要求對鋼板進行驗收和試驗，確保低溫用鋼板合格。

2）壓力容器焊接完成后，按照HG 20585 的要求對焊縫進行無損檢測，并重視母材上的缺陷，避免錯評漏評。

3）定期檢驗時加強對碳鋼低合金鋼制低溫壓力容器的無損檢測，必要時采用聲發(fā)射技術(shù)進行整體活動性缺陷監(jiān)測。

[1] 唐曉鋒，趙院婷，高浩，等.低溫壓力容器制造質(zhì)量控制[C].黑龍江省機械工程學會2007年年會論文(摘要)集.

[2] 楊文峰.低溫壓力容器的設(shè)計[J].中國特種設(shè)備安全，2008，24（9）：19-21.

[3] 董振虎，王焱.熱軋鋼板常見表面缺陷淺析[C].第八屆（2011）中國鋼鐵年會論文集.

[4] 徐恒雷.連續(xù)擠壓應(yīng)用過程中常見缺陷淺析與措 施[J].有色金屬加工，2010，39(4)：31-36.

[5] TSG R7001—2013 壓力容器定期檢驗規(guī)則[S].