大型球罐裂纹分析及修复要点

0 前言

随着中国石油化工工业的迅速发展，球罐的大型化、高参数化以及高强度钢广泛地应用于球罐的制造，致使球罐的安全性越来越成为人们关注的焦点，液氨球罐也不例外。国内外大量的事故分析及开罐检查的结果表明，液氨、LPG球罐应力腐蚀裂纹主要产生在焊接接头部位。对此，球罐建造工作者在提高建球工艺水平和加强组建球罐全面质量管理的同时，对液氨、LPG球罐用钢的冲击韧性、焊接性能尤其是抗应力腐蚀性能提出了更高的要求。

上世纪90年代末合肥通用机械研究院与相关单位合作研制开发并应用了强度和韧性优于Q345R且焊接性能及抗应力腐蚀性能与其相近的正火态低合金钢Q370R(当时为15MnNbR)，作为大型液氨、LPG球罐用钢，因其力学性能和焊接性优良，在国内得到了大量的工程应用。文中选取贵州某公司于2012年建造的Q370R钢制液氨球罐作为研究对象，其设计直径为18 000 mm，体积为3 000 m3，服役温度-19～50 ℃，设计压力2.16 MPa，壁厚50 mm。2013年6月建成并投入使用，2016年7月首次开罐检查发现了100多条裂纹，未分析裂纹产生的原因，即进行了焊接返修。2017年7月第二次开罐检查，发现了300多条裂纹。文中对该球罐裂纹产生的原因进行了科学分析，并对焊接修复工作提供了指导性意见，以引起大家对球罐焊接工作的重视。

1 Q370R钢制液氨球罐二次开罐检查情况

1.1 裂纹情况

在对内壁对接焊缝采用荧光磁粉进行100%检测，共发现378处线性缺陷显示，其中有10多处缺陷数量为多条密集横向缺陷，如图1、图2所示。裂纹有横向、纵向，焊缝、热影响区均有，且大多数集中在上、下极大环缝及下极板方环上。横向缺陷集中在焊缝上，长度5 mm左右居多，深度1.0 mm，长度超过10 mm的一般起止点在熔合线处，深度超过3.0 mm，纵向缺陷除了母材外，绝大多数在热影响区，深度1.0 mm，少数几条深度超过3.0 mm，母材上缺陷位置多数在工装卡具处，深度一般1.0～2.0 mm。

图1 氢致冷裂纹

图2 应力腐蚀裂纹

1.2 硬度测定

对位于焊缝上的多处裂纹区域进行硬度检测，热影响区硬度值范围为251～373 HB，焊缝硬度值范围为196～259 HB。

对焊缝的非裂纹区域进行硬度抽查，焊缝的硬度值与裂纹区域的焊缝硬度值相比未有明显变化，而热影响区硬度值与裂纹区域的热影响区相比有明显下降，其范围为221～298 HB。

1.3 微观金相

所选横向裂纹位于焊缝与熔合线区间，未扩展至母材，以穿晶扩展为主，有少量分叉，裂纹末端较细，如图3所示；所选纵向裂纹位于熔合线上，基本上与熔合线走向一致，以沿晶扩展为主，有少量分叉，裂纹末端较细，如图4所示。

图3 横向裂纹微观金相

据此认为该裂纹小部分为氢致冷裂纹，大部分为氨致应力腐蚀裂纹。但常见失效分析报告，只对裂纹成因进行简单分析，属于性质分析，对后面焊接返修指导作用有限。

图4 纵向裂纹微观金相

2 Q370R钢及接头性能分析

2.1 斜Y坡口焊接裂纹试验

按GB 4675.1—1984《斜Y坡口焊接裂纹试验方法》对Q370R钢进行斜Y坡口焊接裂纹试验，其中板厚为 44 mm，焊条采用J 557R(φ4.0 mm),焊接电流为170±2 A，电弧电压为20～24 V，焊接速度为150 mm/min，试验结果见表1。

由表1的数据可以看出，44 mm厚Q370R钢板在焊前预热,75 ℃以上时，未发现冷裂纹，可认为在现场球形储罐的焊接施工中产生冷裂纹的可能性较小。

表1 斜Y坡口焊接裂纹试验结果

2.2 焊接热影响区硬度试验

对Q370R钢进行焊接热影响区硬度试验，焊条采用J 557R(φ4.0 mm)，预热温度分别为室温，75 ℃,100 ℃,125 ℃，采用焊接电流为160±2 A，电弧电压为20～24 V，焊接速度为150 mm/min，试验结果见表2。结果表明，焊接热影响区最高硬度为339 HV10，已比较接近350 HV10。Q370R钢有一定的淬硬倾向，但预热到100 ℃以上，其最高硬度有明显的下降，具有较好的抗冷裂性能。

表2 Q370R最高硬度法试验硬度值

2.3 焊接接头低温冲击试验

焊接热输入对焊接接头的低温冲击吸收能量影响也是Q370R钢的焊接性研究的重点内容之一，试验结果如图5、图6所示，从图5、图6中可看出，焊接接头具有足够的韧性储备，球罐制造方在安装现场不野蛮施焊，在-20 ℃下不会发生脆性断裂。

图5 热输入对焊缝系列温度冲击吸收能量的影响

图6 热输入对热影响区系列温度冲击吸收能量的影响

2.4 Q370钢及接头拉伸应力腐蚀试验

对球罐用44 mm厚Q370R钢板及其焊接接头进行恒负荷拉伸H2S应力腐蚀试验。试样状态均为正火态，试验用焊条为J 557R(φ4 mm)焊条。试验按GB 4157—1984《金属抗硫化氢应力腐蚀开裂恒负荷拉伸试验方法》标准规定进行。试验介质同上，定义720 h以内试样不发生断裂的最高应力值为临界应力Rth，试验结果见表3。

表3 恒负荷拉伸H2S应力腐蚀试验结果

以Rth≥0.45 ReL为合格标准，由表3可以看出，SR状态的Q370R钢板及焊接接头均具有较优良的抗应力腐蚀性能。

2.5 模拟服役工况条件下的应力腐蚀试验

将44 mm厚Q370R试板采用J 557R(φ4 mm)焊条进行焊接，然后再对试板用螺栓进行四点弯曲加载并浸入湿H2S含量为500 mg/L的腐蚀介质中，观察试板的破坏行为，以近似模拟实际工况条件下的母材、焊缝及热影响区抗硫化氢应力腐蚀性能，如图7所示。

试验加载前和加载后分别进行残余应力分布测试，测试点分布及残余应力测试结果分别示于图8和表4。试板加载后放入NACE溶液中，通入H2S，并保持浓度为500 mg/L，两个月后取出，检测结果未发现任何裂纹。

试验结果表明，Q370R钢板及其焊接接头抗应力腐蚀性能较优良。

综上所述，Q370R钢在严格遵守焊接工艺条件下，焊接接头具有良好的强韧性，抗应力腐蚀能力较好，通常不会产生裂纹。

图7 模拟服役工况SCC试板几何尺寸及加载方式

图8 SCC试板应力测点分布图

表4 焊态试板残余应力测试结果

3 液氨球罐裂纹成因分析

为了给该接返修工作提供技术支持，结合上面的试验结果对该液氨球罐裂纹成因进行深入分析。

3.1 氢致冷裂纹

从上面试验结果来看，只要施焊时管理措施到位，焊接接头基本上不会产生冷裂纹。但目前许多球罐开罐检查时，均发现存在不同程度的冷裂纹。

3.2 应力腐蚀裂纹

应力腐蚀与材料、介质及应力有关，三者缺一不可[1]。

3.2.1 材料组织

该球罐采用Q370R钢板，由上述的试验结果可知其焊接接头具有良好的抗应力腐蚀性能。而该球罐开罐检查热影响区硬度检测硬度高达373 HB，这远高于HG 20583《钢制化工容器结构设计规定》中“盛装氨介质容器的低合金钢焊接接头硬度HV10≤245(约233 HB)”规定，同时这也远高于表1中的339 HV10。这表明球罐现场焊接时可能没有进行预热且环境温度较低，导致焊接接头冷却速度过快，t8/5过短，在焊接接头中产生了较多的淬硬组织，而淬硬组织对应力腐蚀开裂尤其敏感[2]，是该球罐产生严重应力腐蚀裂纹的最直接原因。

其次安装现场施焊球罐焊工技能虽在中国技能水平较高(不能与执行焊接工艺纪律差相混淆)，但仍缺乏“大国工匠”的精神，焊接技术人员也不能很好地对其进行指导，尤其在横焊位置均采用直线法施焊，俗称“拉条子”，焊缝外观质量差，焊接热输入偏小，增加了在环缝焊接接头中产生淬硬组织倾向。

目前GB 12337—2014《钢制球形储罐》中对具有应力腐蚀球罐的焊接接头并未提出硬度指标要求值，鉴于目前球罐的焊接工艺纪律失控较严重，应在该标准中对该类球罐增加此项内容。

3.2.2 球罐残余应力

球罐焊接顺序均为先纵后环，因此后焊的环缝由于受先前焊接完毕纵缝的拘束，环缝残余应力较大，再加上环焊缝焊接热输入偏小，因此环缝应力腐蚀情况比纵焊缝严重。当焊后热处理效果不佳，对应力腐蚀也会产生一定的影响。

3.2.3 介质

应力腐蚀开裂属于电化学腐蚀，100%的液氨是不会产生应力腐蚀，当介质中含有少量水时，在阳极M→M++e，在阴极2H++2e→H2。当CO2的体积分数达到1.18×10-4～1.54×10-4时，也增加液氨应力腐蚀裂纹倾向。在检查了该球罐的运行记录，发现具备介质条件，容易发生应力腐蚀开裂。

综上所述，不规范焊接造成接头存在淬硬组织和较高的应力，是造成应力腐蚀裂纹和少量氢致裂纹的主要原因。

4 焊接返修重点

通过以上裂纹成因分析，制订了该球罐焊接返修方案。不仅对所有表面裂纹处进行全面返修，还需对硬度大于245 HV10的焊接接头进行返修。对球罐内表面硬度进行全面检查，标注出硬度超过245 HV10的焊接接头部位。将该部位的焊缝、两侧的热影响区及部分母材从表面往下刨除10 mm。返修的长度不得小于80 mm，气刨渗碳层必须打磨干净，并修磨成U形。

采用J 557RH(φ4.0 mm)高韧性超低氢焊条施焊，预热温度大于125 ℃，严格按焊接工艺规程施焊，焊后立即进行(200～250) ℃×0.5 h消氢处理。

环焊缝由直线施焊法改为斜圈法施焊，如图9所示，斜圈法是从坡口下面起焊，先焊部分先凝固，当电弧往斜上方移动，下面先凝固的部分托住铁水不往下流淌[3]，这样焊缝成形美观，也不会产生过深的咬边，关键是减缓了焊接速度，增大了热输入，相应焊接接头t8/5时间延长，对预防横焊焊接接头产生淬硬组织有一定的作用，同时可避免焊接热输入过小热影响区低温冲击韧性较低现象[4]。

图9 斜圈法运条焊接示意图

焊后无损检测合格后，进行(580±20) ℃×2 h局部焊后热处理，内外侧均进行保温，加热带、均温带及隔热带宽度严格按GB/T 30583—2014《承压设备焊后热处理规程》执行，不可在球罐表面产生过大的温度梯度。

在消除缺陷过程中，有热影响区乃至附近的母材上仍有新的裂纹产生，还是属于应力腐蚀裂纹，如图10所示，厂方对此十分担忧，其实这是由于材料经应力腐蚀已劣化，受气刨或焊接产生的热量后开裂，经分析后，认为缺陷充分暴露后，更有利于彻底消除隐患。同时由于选用了超低氢焊条，焊前严格控制了预热温度和范围，焊后采取了立即消氢等措施，返修后焊接接头没有再产生冷裂纹。

图10 返修过程中新产生的裂纹

5 结论

(1)Q370R钢焊接性良好，严格执行正确的焊接工艺制造液氨球罐，不会产生焊接裂纹。

(2)开罐检查发现的裂纹主要是应力腐蚀裂纹，还有少量氢致裂纹。产生裂纹的原因是制造工艺不合理，造成局部焊缝硬度偏高。为防止此类事故发生，建议在GB 12337标准中增加硬度指标。

(3)采用硬度判据和斜圈法施焊可以保证返修质量。