石亞超

（曲靖市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督綜合檢測中心，云南 曲靖 655000）

0 引言

儲氫式壓力容器作為加氫站的核心設(shè)備，承擔(dān)著優(yōu)質(zhì)氫氣的存儲和輸送任務(wù)。然而，由于其介質(zhì)和使用環(huán)境的特殊性，儲氫容器的定期檢驗就變得尤為重要。曲靖市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督綜合檢測中心作為社會公益性技術(shù)檢驗檢測機構(gòu)，本著服務(wù)企業(yè)，為企業(yè)提供有力的技術(shù)支持和安全保障，應(yīng)積極采取對策，分析其特殊性并制定專業(yè)性和針對性的檢驗方案，確保儲氫容器的安全可靠運行。

1 加氫站儲氫式壓力容器材料特性及金相硬度檢測方法

1.1 07MnCrMoVR 低合金鋼的特性

相比普通低合金鋼，該鋼種具有高強度和低裂紋敏感性，其優(yōu)點在于焊前不預(yù)熱或稍加預(yù)熱（約50℃）而較少生成裂紋，具有優(yōu)良的焊接性能和韌性。由于其物理化學(xué)特性的優(yōu)越性，低合金高強度鋼被廣泛應(yīng)用于制造各類壓力容器。但是，屈服強度450MPa 以上或抗拉強度540MPa 以上的鋼種特別值得注意。由于球罐均為現(xiàn)場制造，在焊接過程中為防止產(chǎn)生焊接裂紋，往往需要采取焊前預(yù)熱措施，又因焊接工藝復(fù)雜、施工困難和環(huán)境條件惡劣等因素影響，使得焊接裂紋難以避免。經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)和理論的支持，對該材料制造的球罐從安裝過程到使用環(huán)節(jié)，必須嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量和現(xiàn)場組焊工藝，焊后進行整體消除應(yīng)力熱處理，定期檢驗環(huán)節(jié)重點檢測內(nèi)表面的氫腐蝕情況、應(yīng)力腐蝕裂紋及其他各種氫損傷問題的產(chǎn)生情況就變的尤為重要了。在該2000 立方球罐（第三類）儲氫的特殊場景下，需要特別關(guān)注以下特性。

1.1.1 腐蝕性

特定介質(zhì)環(huán)境下，低合金鋼的抗腐蝕性較其他材料略高，特別是在臨氫環(huán)境中的腐蝕速率一般隨溫度的增高、氫分壓增大而增大，并伴隨有裂紋產(chǎn)生。因此，在檢驗過程中需要重點關(guān)注容器內(nèi)表面的腐蝕情況。

1.1.2 可靠性

低合金鋼的焊接性能較好，能夠滿足高壓容器的制造要求。但該鋼種在焊接過程中受環(huán)境影響易產(chǎn)生各種裂紋及其他缺陷，也會因熱處理工藝問題導(dǎo)致各種熱、冷裂紋的產(chǎn)生。因此，在制造安裝過程中監(jiān)督不嚴(yán)就有可能失控，而失控導(dǎo)致的后果是嚴(yán)重的。

1.1.3 強度

低合金高強度鋼會應(yīng)過高的強度，導(dǎo)致容器在制造和使用環(huán)節(jié)中出現(xiàn)大量的裂紋，增大事故發(fā)生的風(fēng)險。因此需要在制造過程中通過熱處理等方式控制并降低其強度，同時在定期檢驗過程中也要重點關(guān)注因材料的強度狀況變化或應(yīng)力集中導(dǎo)致的裂紋產(chǎn)生，并且對應(yīng)力集中部位或進出口管直接沖刷的部位進行重點檢測。

1.2 化學(xué)成分分析、金相、硬度檢測及無損檢測方法的原理和步驟

光譜分析法是指各種元素在高溫、高能量的激發(fā)下都能產(chǎn)生自己特有的光譜，根據(jù)元素被激發(fā)后所產(chǎn)生的特征光譜來確定金屬的化學(xué)成分及大致含量的方法。

金相檢測是通過對材料表面精細(xì)化處理以后，用電子顯微鏡直接觀測材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)變化，從而判斷材質(zhì)是否在使用過程中出現(xiàn)異常。

而硬度檢測則是通過專業(yè)的檢測儀，在材料試樣上施加一定的力，通過測量試樣表面形變或破壞來確定材料的硬度，其檢測方法快速、便捷、無破壞性，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

以本次檢驗為例，提出各類檢測方法的原理和步驟。

1.2.1 化學(xué)成分分析

在該球罐母材及焊縫熱影響區(qū)具有代表性的部位各選取幾個點進行光譜檢測分析（去掉表層1mm 檢測），對比材料化學(xué)成分和原材料化學(xué)成分對比。

1.2.2 金相檢測的樣品制備

首先選擇球罐內(nèi)表面具有代表性的部位，進行打磨和拋光處理，直到制備出符合標(biāo)準(zhǔn)要求的金相試件區(qū)域。在制備過程中，需要注意避免過度磨合。

1.2.3 金相顯微觀察

將制備好的金相位置架上電子金相顯微鏡進行觀察。通過金相顯微鏡觀察內(nèi)表面的組織結(jié)構(gòu)以及材料使用過程中出現(xiàn)的組織性能變化和損傷形態(tài)。

1.2.4 選取測量點

在觀察過程中，選擇符合標(biāo)準(zhǔn)的測量點，然后將其進行標(biāo)識定位、拍照、記錄。通常，測量點應(yīng)位于試件相同的組織結(jié)構(gòu)、相同的顯微組織和外觀上的相同部位[1]。

1.2.5 硬度測量

通過硬度計進行測量，順著球殼板的編號進行硬度值的測量。詳細(xì)記錄測量的部位和數(shù)值，檢測部位需具有代表性，方便數(shù)據(jù)匯總后進行比對。

2 加氫站儲氫式壓力容器可能出現(xiàn)的損傷模式

定期檢驗是確保該類容器安全運行的重要環(huán)節(jié)。在定期檢驗中，需要關(guān)注該容器可能出現(xiàn)的各種損傷模式，以及對容器性能和安全使用狀況的影響。針對此球罐，闡述以下典型的損傷模式，并舉例說明。

2.1 氫腐蝕

在定期檢驗中，腐蝕是最為常見的一種。該球罐在使用一個周期后首次開罐檢驗，容器內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)一些輕微的腐蝕裂紋。通過金相顯微鏡檢測和化學(xué)分析，確認(rèn)這些腐蝕裂紋是由于應(yīng)力腐蝕和氫分壓過高導(dǎo)致的腐蝕損傷。

測量環(huán)境濕度和溫度，對腐蝕裂紋表面進行取樣分析，了解腐蝕環(huán)境的特點。根據(jù)腐蝕損傷的特點，選擇適當(dāng)?shù)姆栏胧?。例如使用防腐涂層、防腐封閉劑、加前置過濾干燥器等方法來緩解或消除腐蝕，對已經(jīng)受到腐蝕損傷的部位進行清洗和修復(fù)。

2.2 疲勞

由于加氫站儲氫壓力容器在循環(huán)荷載下不斷發(fā)生應(yīng)力的變化，容器壁可能會因制造缺陷出現(xiàn)疲勞裂紋。長期使用和高負(fù)荷的工況會使得疲勞裂紋逐漸擴展，最終導(dǎo)致容器的破裂。該球罐又采用低合金高強度鋼作為材料，在加氫站的使用過程中，可能遭受較大的壓力變化。通過定期檢驗發(fā)現(xiàn)，球罐內(nèi)表面已經(jīng)出現(xiàn)一系列微小裂紋[2]。

2.3 基礎(chǔ)沉降

基礎(chǔ)沉降是指容器基礎(chǔ)地基土層在附加應(yīng)力作用下，發(fā)生的局部塌陷或開裂等變化。特別是不均勻的沉降，對此類大型設(shè)備影響最為嚴(yán)重。不僅對設(shè)備的支柱容易產(chǎn)生變形導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生傾斜，也嚴(yán)重影響容器的穩(wěn)定性，增加容器失效的風(fēng)險。該球罐在檢驗過程中，發(fā)現(xiàn)有2 根支柱的基礎(chǔ)表面出現(xiàn)了一些明顯的裂紋，水泥地基的塌陷。為進一步分析和解決這一問題，曲靖市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督綜合檢測中心對該球罐的支柱進行垂直度測量和沉降測量，確定變形程度。利用光學(xué)測量全站儀和三維掃描技術(shù)，對變形量和沉降度進行量化測量和分析，以評估其對容器強度和穩(wěn)定性的影響。

傳感器量程的選擇可根據(jù)設(shè)備的最大稱量值、選用傳感器的數(shù)量、設(shè)備的自身質(zhì)量和發(fā)生的最大偏載及動載等要素歸納評估來判定[2]。一般來說，傳感器的量程越接近分配到每個傳感器的載荷，其稱量的準(zhǔn)確度就越高。但在實際運用時，加在傳感器上的載荷除被稱物體外，還存在設(shè)備自身質(zhì)量、包裝質(zhì)量、偏載及振動沖擊等載荷，因而選用傳感器量程時，要考慮諸多方面的要素，確保傳感器的安全和壽命[3-4]。

2.4 沖擊

沖擊會導(dǎo)致容器壁出現(xiàn)裂紋、或與容器相連接的接管的破碎或脫落等，嚴(yán)重時會導(dǎo)致容器的破裂或爆炸。由于該企業(yè)附近近期遭受過一次常壓設(shè)備爆炸的影響，本次檢驗懷疑球罐會到較大的沖擊力，導(dǎo)致了部分變形和裂紋的出現(xiàn)。為驗證這一問題，此次定期中對該球罐朝向受影響面一側(cè)進行了細(xì)致的外觀檢查，在發(fā)現(xiàn)有沖擊損傷后，使用無損檢測（TOFD+MT 檢測方法）對容器外表面焊縫進行檢測，定性定量評估損傷程度和裂紋的長度、深度等。結(jié)合容器的設(shè)計和制造標(biāo)準(zhǔn)，采用有限元分析等工具評估球罐在沖擊下的受力情況，判斷容器是否承受沖擊后仍具備足夠的強度和密封性能。

3 定期檢驗的重點部位及無損檢測方法

在定期檢驗中，需要重點關(guān)注容器的關(guān)鍵部位，并使用適當(dāng)?shù)臒o損檢測方法進行檢測。以該球罐檢測方案及實施方法為例，詳細(xì)闡述以下重點部位以及相應(yīng)的無損檢測方法的選擇。

3.1 下極板及溫帶焊縫

定期檢驗中，需要關(guān)注底部接頭的疲勞裂紋、腐蝕和錯變量等情況。無損檢測方法中常用的有超聲波檢測和磁粉檢測，錯變量用焊縫檢驗尺進行。通過超聲波檢測，可以對焊接接頭進行全面的檢測，識別潛在的問題并進行定量評估；而磁粉檢測則適用于對表面裂紋的檢測[3]。

3.2 罐體壁厚

罐體壁厚是決定容器承載能力和安全性的重要因素。定期檢驗中，需要關(guān)注罐體壁厚的腐蝕和減薄情況。超聲波測厚法能夠快速、準(zhǔn)確地測量罐體壁厚，并提供實時數(shù)據(jù)進行評估。

3.3 焊縫

焊縫是連接各受壓元件的重要組成部分，其質(zhì)量和可靠性直接影響容器的安全性。定期檢驗中，需要關(guān)注焊縫及其熱影響區(qū)的焊接質(zhì)量、裂紋和腐蝕等情況。無損檢測方法中常用的有無損檢測常規(guī)五項（RT、UT、PT、MT、TOFD）。各種檢測手段之間相互補充，能夠有效的評估焊縫的完整性和可靠性。

3.4 無損檢測方法的比例選擇

一般來說，檢驗中采用的無損檢測方法應(yīng)綜合考慮可行性、準(zhǔn)確性、經(jīng)濟性和安全性等因素。根據(jù)本次檢驗的實際情況，對于大型球罐的無損檢測，超聲波檢測（TOFD）和磁粉檢測（MT）、滲透檢測（PT）是檢驗該類容器的主要方法，比例不少于20%，合格級別應(yīng)符合《承壓設(shè)備無損檢測》（NB/T 47013—2015）相關(guān)要求。

4 檢驗結(jié)果及裂紋性質(zhì)分析

檢驗結(jié)果和裂紋性質(zhì)分析可以幫助判斷容器的可靠性和持久性，并為進一步的維護、使用和修復(fù)提供指導(dǎo)性方向。針對本次對該球罐的檢驗，詳細(xì)闡述以下4個方面的內(nèi)容。

4.1 多處裂紋的檢驗結(jié)果

4.2 裂紋的形貌特征

裂紋的形貌特征可以提供關(guān)于裂紋的成因和演化過程的重要線索。定期檢驗時，需要對裂紋的形貌進行詳細(xì)觀察和描述。在上述檢驗中，赤道板與下極板、赤道板與赤道板、下溫帶與下極板連接焊縫處的裂紋由焊趾處向熱影響區(qū)擴張或處于焊縫表面的縱向或橫向裂紋，長度最長的為12mm，最短的僅有2mm。

4.3 裂紋的性質(zhì)

對裂紋性質(zhì)進行分析可以了解裂紋對容器的影響程度和潛在破壞風(fēng)險。分析應(yīng)包括裂紋的深度、寬度、形態(tài)、擴展情況以及可能導(dǎo)致破壞的因素。在焊縫相交處可能導(dǎo)致應(yīng)力集中，進一步加劇裂紋擴展的風(fēng)險；而焊縫表面的細(xì)小裂紋雖然長度較短，但裂紋呈弧形或蛛網(wǎng)狀可能表明存在應(yīng)力集中，也需要引起重視[4]。經(jīng)過打磨后裂紋消除，深度最深1.5mm，長寬為10mm×13mm。

4.4 金相和硬度檢測結(jié)果的論證

金相和硬度檢測是對檢驗方案和缺陷原因判斷過程的一個論證，通過金相檢測，可以觀察裂紋周圍的組織結(jié)構(gòu)，了解材料的性質(zhì)和可能的裂紋起始點。硬度檢測可以提供材料的硬度值，作為判斷材料強度和韌性的指標(biāo)。為了分析這一問題，曲靖市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督綜合檢測中心中心對該球罐內(nèi)外表面進行大面積宏觀檢查，對腐蝕造成的裂紋進行定性和定量分析，確定腐蝕損傷的性質(zhì)和程度，對部分裂紋進行金相檢測后，發(fā)現(xiàn)裂紋周圍存在變形體和晶界腐蝕現(xiàn)象，紋尖端表面走向延晶分布，由此可以推斷裂紋與焊接過程中的應(yīng)力集中和使用過程中介質(zhì)的腐蝕有關(guān)。

5 裂紋處理辦法

在發(fā)現(xiàn)裂紋后，需要采取相應(yīng)的處理辦法，以確保容器的安全性和可靠性。以下詳細(xì)闡述以下兩個方面的內(nèi)容。

5.1 裂紋修復(fù)技術(shù)

對于容器中的小型裂紋，可以采用局部打磨的方法進行修復(fù)。對于大型裂紋，需要對裂紋進行清理、打磨，重新進行表面無損檢測，確定缺陷完全清除后，再根據(jù)具體情況確定是否需要補焊和局部熱處理等工藝，保證焊縫質(zhì)量和強度。此次檢驗中，對該球罐下溫帶與下極板一處長度較大的裂紋，采用了打磨后補焊方法進行修復(fù)，修復(fù)后對該部位重新進行局部熱處理工藝，消除因焊接產(chǎn)生的應(yīng)力集中。

5.2 裂紋后續(xù)監(jiān)測措施

在對裂紋進行修復(fù)后，需要進行后續(xù)的監(jiān)測措施，以確保容器的運行狀態(tài)和安全性。后續(xù)監(jiān)測措施包括縮短定期檢驗周期，每次開罐檢測時關(guān)注是否有新裂紋的產(chǎn)生及產(chǎn)生部位等。如企業(yè)需求，可對該球罐進行聲發(fā)射檢測[5]。

6 結(jié)語

綜上所述，針對該2000 立方球罐（第三類、低合金高強度鋼），介質(zhì)為臨氫環(huán)境，會隨著強度級別的提高而加大產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性。需要嚴(yán)格控制材料的化學(xué)成分，特別是對含碳量的控制，嚴(yán)格控制鋼板和球殼板的表面質(zhì)量檢查，加強對焊工執(zhí)行工藝紀(jì)律情況的檢查，確保符合焊接工藝的要求，嚴(yán)格執(zhí)行焊后消除殘余應(yīng)力的整體熱處理工作，制定嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩ㄆ跈z驗方案和檢驗重點檢測部位，采用先進的檢驗檢測技術(shù)和處理辦法，用金相和硬度檢測對檢驗工作進行佐證，同時采用新型材料和制造工藝，以提高球罐的安全性和可靠性，確保加氫站的安全穩(wěn)定運行。