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    常州精密鋼管博客網(wǎng)

    CF-62鋼制壓力容器中的裂紋分析與預(yù)防措施

          隨著設(shè)備的高參數(shù)和大型化,希望開(kāi)發(fā)出強(qiáng)度高、韌性好、加工成形和焊接性能優(yōu)良的鋼材。上世紀(jì)70年代日本等國(guó)家針對(duì)大型球罐研制出σs≥490MPa、σb≥610MPa的低碳微合金、低焊接裂紋敏感性的高強(qiáng)鋼(簡(jiǎn)稱CF-62鋼)。       上世紀(jì)70~80年代,我國(guó)高參數(shù)的大型球罐用高強(qiáng)鋼全部依靠進(jìn)口,例如1986年北京建造的4臺(tái)5000m3和2臺(tái)10000m3的天然氣球罐就是引進(jìn)日本的CF-62鋼。       上世紀(jì)80年代初期武漢鋼鐵公司組織有關(guān)單位開(kāi)展σs≥490MPa的低焊接裂紋敏感性鋼種的研制。上世紀(jì)80年代中期由合肥通用所組織有關(guān)單位進(jìn)行國(guó)產(chǎn)CF鋼的工程應(yīng)用研究,為我國(guó)大型球罐國(guó)產(chǎn)化提供大量的有價(jià)值的數(shù)據(jù)。       近十多年來(lái),國(guó)產(chǎn)CF-62系列鋼已較廣泛地應(yīng)用于50~2000m3的氧氣、氮?dú)狻⒁夯蜌狻⒈⒁蚁┑惹蚬蕖F淇倲?shù)超過(guò)100臺(tái),最低設(shè)計(jì)溫度達(dá)-40℃,其中進(jìn)行焊后整體熱處理和不進(jìn)行焊后整體熱處理的大約各占一半。此外,該類鋼還用于大型水電站的高壓岔管和管道以及大型挖掘機(jī)等重型機(jī)械。       隨著工程上的擴(kuò)大應(yīng)用及經(jīng)驗(yàn)的積累,人們對(duì)這類鋼的認(rèn)識(shí)在深化。設(shè)備安裝、制造以及使用中的問(wèn)題也在暴露,目前這類鋼制設(shè)備的裂紋屢有發(fā)生。本文列舉筆者所參與或了解的石油化工和燃?xì)庑袠I(yè)中的某些07MnCrMoVR和07MnNiCrMoVDR鋼制球罐檢驗(yàn)及失效分析的實(shí)例與同行商榷,以求鋼材及制造工藝的完善化,最終達(dá)到設(shè)備能長(zhǎng)周期安全運(yùn)行的目的。

     1. CF-62鋼制設(shè)備的應(yīng)力腐蝕

          應(yīng)力腐蝕是指金屬材料在某些介質(zhì)中,由于拉應(yīng)力的作用造成的一種延遲破裂。其形成必須有一定的金屬組織、應(yīng)力和介質(zhì)在特定條件下的聯(lián)合作用。它可能發(fā)生在母材上,也可能發(fā)生在焊縫上,但因焊接接頭粗晶粒的存在以及不可避免的殘余應(yīng)力影響,所以應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂出現(xiàn)機(jī)率高的仍是焊接接頭及鄰近母材。

           調(diào)質(zhì)型CF-62鋼的金相組織主要是板條狀的回火馬氏體、回火索氏體和貝氏體。其所占的比例隨板材厚度方向而異,鋼板表面的回火馬氏體和索氏體占2/3以上,因此,鋼材(特別是表層)的強(qiáng)度和硬度較高。

           對(duì)低合金鋼來(lái)說(shuō),濕H2S環(huán)境與含O2及CO2的液態(tài)氨環(huán)境會(huì)引起材料的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。CF-62鋼的強(qiáng)度、硬度較高,在含有腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中,容易形成應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

     例一:天津石化公司石化二廠1000m3丙烯球罐的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

           該球罐于1995年由天津球罐聯(lián)營(yíng)工程公司設(shè)計(jì)、金州石化機(jī)械廠壓片、鞍山壓力容器廠現(xiàn)場(chǎng)組裝,組裝后未進(jìn)行整體熱處理。其設(shè)計(jì)壓力2.16MPa、主體材質(zhì)為07MnCrMoVR、規(guī)格φ12300×36mm。1996年1月投入使用,1998年5月該球罐因混裝H2S嚴(yán)重超標(biāo)的粗丙烯(H2S含量達(dá)上千ppm),在很短時(shí)間內(nèi)上溫帶縱縫出現(xiàn)穿透性裂紋而泄漏,開(kāi)罐檢查發(fā)現(xiàn)球罐內(nèi)壁有數(shù)百條典型的應(yīng)力腐蝕裂紋。

     例二:寧夏化工廠甲醇水分離器的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

           甲醇水分離器是合成氨裝置中的重要設(shè)備,其設(shè)計(jì)壓力為8.4MPa、操作壓力為7.8MPa,操作溫度為50~-40℃。介質(zhì)主要是H2、CO2、CO、CH3OH等。其結(jié)構(gòu)為兩段筒節(jié)和上、下封頭組成,規(guī)格為φ1800×44×4300mm,材質(zhì)為07MnNiCrMoVDR。設(shè)備于1994年設(shè)計(jì),1995年制造,1996年初投用。

           1996年10月2日該設(shè)備在正常操作運(yùn)行時(shí)發(fā)生突發(fā)性爆炸起火。蘭石所對(duì)其進(jìn)行了失效分析:雖然裂紋是在下筒節(jié)鼓肚區(qū)附近具有密集氣孔的長(zhǎng)度×深度為240×30mm的陳舊斷口前沿15mm處啟裂,并沿HAZ粗晶區(qū)擴(kuò)展,最終甲醇水分離器因強(qiáng)度不足而撕裂、泄漏并引起化學(xué)爆炸。但是在設(shè)備鼓肚前鋼材已存在嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕損傷,檢驗(yàn)表明:沿縱縫近縫區(qū)以鼓肚部位為中心的殘片斷面內(nèi)表面存在長(zhǎng)約1m、深3~6mm的晶間開(kāi)裂。這是因介質(zhì)中的H2S含量嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)要求(小于50ppm),有時(shí)達(dá)到1000ppm。

     例三:上海寶鋼650m3無(wú)水液氨球罐的應(yīng)力腐蝕裂紋。

           該球罐的設(shè)計(jì)壓力:1.724Mpa,規(guī)格:φ10700×44mm,材質(zhì):07MnCrMoVR,工作介質(zhì)為無(wú)水液氨。1998年4月投入運(yùn)行。1999年3月開(kāi)罐檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn):內(nèi)表面焊縫有3條裂紋,熱影響區(qū)有1條裂紋,母材有17處裂紋(分布于整個(gè)球皮);外表面焊縫有1條裂紋,熱影響區(qū)有3條裂紋,母材有2處,裂紋主要分布在球罐上半部。經(jīng)金相和材料檢驗(yàn),內(nèi)壁的裂紋具有明顯的應(yīng)力腐蝕裂紋特征。

     例四:大慶石化公司1500m3丙烯球罐的裂紋 

          該球罐規(guī)格為φ14300×44mm,材質(zhì):07MnCrMoVR,1999年4月投入使用。2001年11月進(jìn)行開(kāi)罐檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn):下極板有三條長(zhǎng)30~40mm、深1mm的裂紋,取樣管角焊縫內(nèi)壁有一處75×4mm的表面裂紋(初步判斷為應(yīng)力腐蝕裂紋),打磨至4mm時(shí)消除。

           總之07MnCrMoVR系列鋼由于強(qiáng)度、硬度和應(yīng)力水平比較高,對(duì)應(yīng)力腐蝕比較敏感。因此對(duì)可能發(fā)生濕硫化氫環(huán)境與含氧及二氧化碳的無(wú)水液態(tài)氨環(huán)境,應(yīng)避免采用07MnCrMoVR系列鋼。

           對(duì)已投用的CF-62鋼制壓力容器,只要其使用環(huán)境是液化石油氣、無(wú)水液氨,在用檢驗(yàn)時(shí),除采用正常的檢驗(yàn)方法外,內(nèi)壁應(yīng)采用濕熒光磁粉檢測(cè),必要時(shí)采用適當(dāng)?shù)谋砻嫱繉拥膶?duì)內(nèi)壁進(jìn)行防護(hù)。對(duì)已開(kāi)裂的容器,一定要分析裂紋產(chǎn)生的機(jī)理,進(jìn)行安全與壽命評(píng)估后,再修復(fù)使用。

     2. CF-62鋼的焊后熱處理及再熱裂紋

           該類鋼的含碳量低(C≤0.09%),其高強(qiáng)度是通過(guò)鋼中加入Cr、Mo、V等碳化物形成元素的彌散強(qiáng)化以及添加B等淬透性強(qiáng)的元素來(lái)達(dá)到的。在滿足高強(qiáng)度的同時(shí)又涉及到兩個(gè)問(wèn)題:一是焊后整體熱處理;二是再熱裂紋。

     2.1 焊后熱處理的最大厚度限制

           按我國(guó)規(guī)范,對(duì)于σs≥490Mpa的鋼材,一般情況下焊后應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力處理(SR處理)。而按日本JISB8243-1981《壓力容器的構(gòu)造》中規(guī)定:球殼壁厚在32mm以下的焊接接頭可不進(jìn)行SR處理。壁厚在32~38mm,若進(jìn)行95℃以上的預(yù)熱也可不作SR處理。日本高壓氣體安全協(xié)會(huì)1980年《高強(qiáng)度鋼使用規(guī)范》也有同樣的規(guī)定。自上世紀(jì)70年代我國(guó)引進(jìn)的數(shù)十臺(tái)CF-62鋼球罐(最大厚度達(dá)36~38mm)均未進(jìn)行焊后熱處理。

           對(duì)國(guó)產(chǎn)這類鋼,尤其是厚度為44~46mm的乙烯、丙烯球罐等工程實(shí)施中,仍采取焊后熱處理。GB12337《鋼制球形儲(chǔ)罐》也規(guī)定:對(duì)厚度大于38mm的07MnCrMoVR系列鋼應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理(565±20℃),但這又涉及再熱裂紋的問(wèn)題。

     2.2 再熱裂紋 

          CF-62鋼含Cr、Mo、V等元素,這些元素以合金碳化物的形式強(qiáng)化基體。但在焊接時(shí),臨近熔合線的母材被加熱到1300℃左右,鋼中的合金碳化物被溶解,焊后來(lái)不及析出,而在隨后的SR處理過(guò)程中,這些合金碳化物在晶內(nèi)彌散析出,從而強(qiáng)化了晶內(nèi),使應(yīng)力松弛時(shí)的蠕變變形集中于HAZ粗晶界。與此同時(shí),片條狀的碳化物、硼和雜質(zhì)元素易偏析于晶界,在拘束力較大的場(chǎng)合下,加速鋼材沿晶界開(kāi)裂,這就是焊后整體熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的再熱裂紋。

           上世紀(jì)80年代中期,CF鋼應(yīng)用研究課題協(xié)作組對(duì)鋼材再熱裂紋敏感性進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)。

           北京鋼研總院采用IIW(國(guó)際焊接學(xué)會(huì))推薦的高溫緩慢拉伸法在Gleeble—1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上,將試樣加熱到1300℃左右(模擬HAZ粗晶區(qū)),然后再經(jīng)SR處理(試驗(yàn)時(shí)采取580℃、600℃、620℃),同時(shí)緩慢加載拉伸至斷裂,最后測(cè)定斷面收縮率(Ψ),按A.G.Vinckier的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定。結(jié)果表明:國(guó)產(chǎn)CF-62鋼的再熱裂紋敏感性介于“非常敏感”和“敏感”之間。

           西安交大用插銷法進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn),通過(guò)測(cè)定HAZ粗晶區(qū)再熱裂紋敏感溫度以及實(shí)際SR溫度下的臨界應(yīng)力評(píng)定鋼材的再熱裂紋敏感性。經(jīng)測(cè)定國(guó)產(chǎn)CF-62鋼的敏感溫度為650℃(日本鋼材則為630℃),在敏感溫度下的臨界應(yīng)力僅為13.8kgf/mm2,結(jié)果表明:該類鋼屬于對(duì)再熱裂紋敏感的鋼種。

           上述兩種試驗(yàn)均證實(shí):該鋼對(duì)再熱裂紋敏感,若將SR處理溫度降低至580℃,則其面縮率和臨界斷裂應(yīng)力均大大提高,從而不會(huì)產(chǎn)生再熱裂紋。一些工程建設(shè)就是按這種推薦方法實(shí)施SR處理的,但有的球罐按此推薦仍未能避免再熱裂紋,實(shí)例如下:

           福建煉化公司G-2071、G-2073兩臺(tái)2000m3丙烯球罐[4]由合肥通用機(jī)械研究所1999年2月設(shè)計(jì),武鋼提供板材,廣重壓力容器公司壓片,中石化第十建設(shè)公司現(xiàn)場(chǎng)安裝,合肥通力工程建設(shè)監(jiān)理有限公司現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理。設(shè)計(jì)壓力:2.16MPa;設(shè)計(jì)溫度:-20~50℃;材質(zhì):07MnCrMoVR;規(guī)格:ф15700×46mm;2000年1月投產(chǎn)運(yùn)行。

           2001年2月開(kāi)罐檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在球罐內(nèi)、外壁分布200多條表面裂紋,以赤道帶環(huán)縫居多。大環(huán)縫缺陷返修后,對(duì)赤道帶環(huán)縫進(jìn)行整體熱處理。現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)多次焊接修復(fù)和幾次熱處理均不同程度發(fā)現(xiàn)了多條在HAZ粗晶區(qū)呈沿晶開(kāi)裂的裂紋(見(jiàn)照片1~2)。最大裂紋長(zhǎng)度達(dá)到2m,最大深度為20mm。

           照片1為A處的沿下熔合線的裂紋全貌,照片1-1為該裂紋A-3處的局部放大。照片2為I處的裂紋全貌,照片2-1、2-2和2-3為該裂紋的放大。從局部放大的金相照片可看出:這些均屬典型的再熱裂紋。 

    照片1-1          A-3處缺陷右端(裂紋)           60× 

     

    照片2-1               I-1處微觀裂紋全貌                60× 

    照片2-2                 I-1處裂紋局部放大         200× 

    照片2-3        I-3處裂紋局部放大         200× 

          出現(xiàn)如此嚴(yán)重的再熱裂紋還與標(biāo)準(zhǔn)的不完善有關(guān)聯(lián)。按照GB12337的規(guī)定,球罐在熱處理后和耐壓試驗(yàn)后可以不進(jìn)行表面磁粉檢測(cè)(包括全部或局部),因此造成對(duì)再熱裂紋檢驗(yàn)的失控,給長(zhǎng)周期安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患。根據(jù)目前相當(dāng)多高強(qiáng)鋼球罐開(kāi)罐的實(shí)際情況來(lái)看,放松對(duì)σb≥540MPa材料制球罐熱處理和水壓試驗(yàn)后進(jìn)行磁粉檢測(cè)的要求,應(yīng)該說(shuō)是一種誤導(dǎo)。       現(xiàn)場(chǎng)的SR處理為消除殘余應(yīng)力,希望提高熱處理溫度。但CF-62鋼屬再熱裂紋敏感的鋼種,在成分和拘束狀態(tài)確定后,熱處理溫度不宜提高,這又導(dǎo)致殘余應(yīng)力水平較高的局面。

     3.在制和在用球罐的殘余應(yīng)力水平

           按07MnCrMoVR系列鋼的壁厚情況,目前球罐實(shí)際安裝時(shí)采用焊后熱處理和不熱處理兩種方式。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與失效分析的一些數(shù)據(jù)表明:無(wú)論是否熱處理,這類球罐的殘余應(yīng)力水平都比較高。       如北京燕山石化公司2000m3液化石油氣球罐,設(shè)計(jì)壓力:1.77MPa;材質(zhì):07MnCrMoVR;規(guī)格:ф15700×38mm;焊后進(jìn)行整體熱處理。1998年投產(chǎn)運(yùn)行。       1999年開(kāi)罐檢驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)多處缺陷,對(duì)其進(jìn)行了返修和局部熱處理。與此同時(shí)進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試:下極板焊縫返修前最大殘余應(yīng)力達(dá)到0.90σS;返修后最大殘余應(yīng)力達(dá)到1.14σS;熱處理后最大殘余應(yīng)力達(dá)到0.90σS。上極板環(huán)焊縫返修前最大殘余應(yīng)力達(dá)到0.58σS;返修后最大殘余應(yīng)力達(dá)到0.88σS。       福建煉化公司2000m3的G2071、G-2073丙烯球罐,當(dāng)熱處理溫度為545℃左右時(shí),北京工業(yè)大學(xué)對(duì)同一部位熱處理前后的殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明:該熱處理溫度對(duì)殘余應(yīng)力分布狀況及數(shù)值基本無(wú)影響,仍保持較高的水平。熱處理后殘余應(yīng)力在0.89σS以內(nèi),水壓試驗(yàn)后殘余應(yīng)力在0.83σS以內(nèi)。       天津石化公司石化二廠1000m3丙烯球罐組裝后未作整體熱處理。1998年開(kāi)罐檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)球罐內(nèi)壁有大量的的應(yīng)力腐蝕裂紋。我所在其缺陷尚未消除的情況下,對(duì)其進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試:上、下極板Y型接頭和T型接頭的最大殘余應(yīng)力達(dá)到0.87σS;上、下小環(huán)丁字型焊縫的最大殘余應(yīng)力達(dá)到0.70σS。       對(duì)于3000m3以上的這類鋼制天然氣球罐,組裝后一般不進(jìn)行整體熱處理,殘余應(yīng)力也基本保持在較高的水平。如上海天然氣儲(chǔ)配站3500m3天然氣球罐,壁厚38mm,經(jīng)測(cè)試上極板最大殘余應(yīng)力達(dá)到0.97σS,下極板最大殘余應(yīng)力達(dá)到0.88σS。北京10000m3天然氣球罐,壁厚34mm,1989年建成后進(jìn)行過(guò)殘余應(yīng)力測(cè)試,其最大殘余應(yīng)力的平均值達(dá)到0.77σS。北京四臺(tái)5000m3天然氣球罐,其最大殘余應(yīng)力達(dá)到0.69~0.83σS       目前球罐的制造安裝標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范如GB12337、GB50094等對(duì)殘余應(yīng)力水平?jīng)]有相應(yīng)的數(shù)值要求。但中厚板殘余應(yīng)力水平較高的部位,在使用中產(chǎn)生表面裂紋的可能性很大。

     4.高強(qiáng)鋼對(duì)射線檢測(cè)要求更高的靈敏度 

          射線照相靈敏度一般由三個(gè)因素所控制,即對(duì)比度、不清晰度和顆粒度。對(duì)比度描述的是細(xì)節(jié)影象與背景影象的黑度差,對(duì)缺陷而言則是缺陷影象與背景影象的黑度差,它直接決定缺陷影象的可識(shí)別度。不清晰度則描述影象邊界的擴(kuò)展程度,或者是模糊程度,影響缺陷影象的可識(shí)別度,尤其是對(duì)于細(xì)長(zhǎng)缺陷影響程度更大。顆粒度是影象黑度分布不均勻的視覺(jué)印象,由形成影象的銀團(tuán)隨機(jī)分布產(chǎn)生,它直接對(duì)應(yīng)于信噪比,顆粒度越細(xì),檢測(cè)靈敏度愈高。       一般來(lái)說(shuō),采用γ射線透照所獲得的固有不清晰度要比X射線大得多。不清晰度的數(shù)值大小通常表征射線透照檢測(cè)細(xì)長(zhǎng)缺陷的能力。不清晰度數(shù)值小,檢出細(xì)長(zhǎng)缺陷的能力強(qiáng),反之則低。因此X射線透照檢測(cè)裂紋等細(xì)長(zhǎng)缺陷的能力要比γ射線高得多。此外,目前國(guó)際上用來(lái)控制射線檢測(cè)靈敏度的線型象質(zhì)計(jì)只對(duì)對(duì)比度變化敏感,而對(duì)不清晰度和透照焦距的變化不敏感。也就是說(shuō)現(xiàn)行象質(zhì)計(jì)不能有效地控制不清晰度的變化。因此當(dāng)采用γ射線源進(jìn)行檢測(cè)時(shí),宜采用高分辨率的膠片作為實(shí)際檢測(cè)靈敏度的一種彌補(bǔ)。尤其對(duì)σS≥490MPa的高強(qiáng)鋼焊縫,由于缺口敏感性相應(yīng)比較高,產(chǎn)生細(xì)長(zhǎng)型冷裂紋的趨勢(shì)比較明顯,往往容易造成漏檢。       如福建煉化公司的G-2071、G-2073球罐在建造時(shí)采用γ射線源進(jìn)行整體透照,底片選用粗粒度、低反差的國(guó)產(chǎn)天津Ⅲ型膠片,制造檢驗(yàn)全部合格。開(kāi)罐檢驗(yàn)后對(duì)球罐返修以外的其它部位焊縫采用γ射線源和Ⅴ型片進(jìn)行100%射線探傷。其中G-2071球罐共拍片1788張,有32張Ⅲ級(jí)以上片,其中裂紋1張、夾渣17張、氣孔14張。G-2073球罐共拍片1780張,有15張Ⅲ級(jí)以上片,其中裂紋2張、夾渣9張、氣孔4張。當(dāng)然,其它低合金鋼(包括16MnR)球罐檢驗(yàn)也有類似問(wèn)題,但因其裂紋敏感性較低,不如CF-62鋼那么明顯。       為保障07MnCrMoVR系列鋼制球罐的安全,當(dāng)選擇γ射線源時(shí),必須采用高分辨率的細(xì)粒度膠片。

     5.  制造這類鋼設(shè)備對(duì)質(zhì)量要求比較高

           07MnCrMoVR鋼系借鑒日本同類鋼種,經(jīng)國(guó)內(nèi)多家單位合作研制成功且取得多次成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。但07MnCrMoVR鋼對(duì)成分控制、冶煉、軋制、冷熱加工及焊接等要求更嚴(yán)格,稍有不慎就會(huì)留下隱患。       根據(jù)07MnCrMoVR鋼的試驗(yàn)結(jié)果,要求預(yù)熱溫度不低于100℃,當(dāng)預(yù)熱溫度控制不嚴(yán)時(shí),容易產(chǎn)生焊接裂紋。這在球罐建造的長(zhǎng)過(guò)程中,在諸多焊工同時(shí)施焊的情況下,對(duì)焊接工藝及規(guī)范往往難以認(rèn)真、嚴(yán)格地執(zhí)行,容易導(dǎo)致有害的缺陷。

           如上海寶山鋼鐵公司650m3氧氣球罐,設(shè)計(jì)壓力:3.09MPa;設(shè)計(jì)溫度:-10℃~60℃;材質(zhì):07MnCrMoVR;壁厚:44mm。制造過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在75張底片上有45條裂紋,主要分布在焊縫和熱影響區(qū)。經(jīng)兩次返修后檢測(cè)仍有53張不合格片(含大量裂紋),目前用戶已基本予以報(bào)廢。

           此外如福建煉化公司2臺(tái)2000m3丙烯球罐、北京燕山石化公司2000m3液化石油氣球罐都存在這方面的問(wèn)題。       焊接07MnCrMoVR鋼時(shí),其線能量對(duì)焊接接頭的質(zhì)量和性能影響很大。線能量過(guò)小,會(huì)引發(fā)熱影響區(qū)和焊縫金屬裂紋(見(jiàn)照片3~5);預(yù)熱溫度過(guò)高或線能量過(guò)大,不僅焊縫與熱影響的顆粒粗大,而且會(huì)造成接頭脆化或軟化。此外,由于焊接熱作用,調(diào)質(zhì)鋼的熱影響區(qū)外側(cè)的母材,被加熱到回火溫度以上特別是AC1附近的區(qū)域,還會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度明顯下降的鐵素體帶和軟化帶,金相組織也會(huì)發(fā)生變化(見(jiàn)照片6和7)。

           照片3~5為修復(fù)的2000m3丙烯球罐,經(jīng)使用一年后檢驗(yàn)出現(xiàn)的裂紋。照片3和4分別為缺陷1和3上的沿下熔合線的渣與裂紋共存狀態(tài);照片5為焊縫上的裂紋。在熔合線附近HAZ的裂紋仍沿晶擴(kuò)展(見(jiàn)照片3-1、4-1)。照片6為近縫區(qū)母材硬度明顯下降的鐵素體帶的金相組織(鐵素體和極少量的珠光體),其實(shí)測(cè)硬度為150~154HB;照片7為母材的正常組織(回火馬氏體和回火貝氏體),其實(shí)測(cè)硬度為190~230HB。 裂紋

    照片3         缺陷1全貌(位于下熔合線附近)    ~6.5× 

    照片3-1      裂紋左端局部放大        200× 

     

    照片4-1    缺陷左端局部放大    200× 

    照片4-2      裂紋局部放大       180× 

     

    照片5-1         裂紋局部放大          160× 

    照片6  硬度明顯降低的近縫區(qū)的母材組織  200× 

    照片7       正常近縫區(qū)的母材組織       200×  

    6. 應(yīng)重視接管角焊縫的質(zhì)量控制 

          接管是壓力容器部件中最基本的結(jié)構(gòu)形式之一,其接管部位因結(jié)構(gòu)變化劇烈而形成高應(yīng)變區(qū),并導(dǎo)致應(yīng)力集中。同時(shí)該部位易產(chǎn)生焊接缺陷,無(wú)損檢測(cè)又不易測(cè)出,因此接管角焊縫區(qū)是壓力容器制造中的薄弱環(huán)節(jié)。 

          對(duì)較大口徑的接管目前采用鍛焊結(jié)構(gòu),使角焊縫變成對(duì)接焊縫,從而減緩了應(yīng)力集中,也提高了無(wú)損檢測(cè)的可靠性。但對(duì)較小口徑的接管仍以插入式為主的角焊縫連接,目前GB12337、GB50094等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)其僅采用磁粉等表面檢測(cè),很難檢測(cè)出是否全焊透,對(duì)于07MnCrMoVR系列鋼制丙烯和乙烯球罐來(lái)說(shuō),由于強(qiáng)度高、拘束度大、再熱裂紋敏感性高,更容易形成接管區(qū)的危險(xiǎn)源。

           如大慶石化公司1500m3乙烯球罐是國(guó)內(nèi)首次采用國(guó)產(chǎn)07MnNiCrMoVDR制造的低溫球罐,屬“八五”國(guó)家重大技術(shù)裝備科技攻關(guān)項(xiàng)目。其主要技術(shù)參數(shù)如下:設(shè)計(jì)壓力:2.254MPa;設(shè)計(jì)溫度:-30~50℃;規(guī)格:Φ14400×44mm;該球罐于1995年投產(chǎn)。1996年、1998年、2001年10月別進(jìn)行了三次開(kāi)罐檢驗(yàn)。 

          2001年10月乙烯球罐開(kāi)車時(shí),由于操作不當(dāng),致使球罐局部在低溫(-70℃~-103℃)環(huán)境下停留達(dá)18個(gè)小時(shí)。后經(jīng)100%的內(nèi)壁熒光磁粉檢測(cè)和100%UT,發(fā)現(xiàn)48處表面裂紋,分布在DE環(huán)焊縫、E1-2拼縫、E2-3拼縫、CD環(huán)焊縫,經(jīng)打磨消除,深度<1.0mm;取樣管角焊縫部位磁粉復(fù)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)一圈斷續(xù)表面裂紋,經(jīng)打磨消除,最大深度為3mm。其中最深一處表面裂紋打磨消除后形成50×3mm的凹坑。取樣管角焊縫部位經(jīng)超聲復(fù)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)整圈斷續(xù)未焊透和夾渣,最大長(zhǎng)度為30mm,自身高度為8mm,主要分布在20~28mm的深度范圍內(nèi)。給乙烯球罐的安全運(yùn)行造成威脅。

           在如上海金山石化公司1500m3的07MnNiCrMoVDR制乙烯球罐,其主要技術(shù)參數(shù)如下:設(shè)計(jì)壓力:2.16MPa;設(shè)計(jì)溫度:-35℃;規(guī)格:Φ14200×44mm;配套鍛件采用08MnNiCrMoVD,該球罐于2002年4月投產(chǎn)。2003年3月經(jīng)上海金山石化首次開(kāi)罐檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在球罐下極板進(jìn)料管焊縫及其附近的母材上16×8cm的區(qū)域有肉眼可見(jiàn)的龜裂,目前正在處理之中。       此外蘭州石化公司1500m3乙烯球罐,由蘭州石化公司設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)、金重壓片、沈陽(yáng)球罐公司安裝。其主要技術(shù)參數(shù)如下:設(shè)計(jì)壓力:2.254MPa;設(shè)計(jì)溫度:-30~50℃;規(guī)格:Φ14400×44mm;材質(zhì):07MnNiCrMoVDR;該球罐在做耐壓試驗(yàn)時(shí),接管角焊縫部位泄漏,后經(jīng)徹底返修重焊才投運(yùn)。

           因此,接管角焊縫部位的質(zhì)量保證也是關(guān)系到07MnCrMoVR球罐安全的不可忽視的環(huán)節(jié)。 

    7.幾點(diǎn)建議

           合肥通用機(jī)械研究所近幾年在07MnCrMoVR和07MnNiCrMoVDR系列鋼制球罐開(kāi)裂的檢驗(yàn)和調(diào)研基礎(chǔ)上,分析了球罐開(kāi)裂的主要原因。為今后球罐的設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢驗(yàn)和使用中能更科學(xué)地使用國(guó)產(chǎn)CF-62鋼,保證設(shè)備和裝置安全長(zhǎng)周期運(yùn)行,特提出以下建議:

           ⑴  建議有關(guān)機(jī)構(gòu)組織07MnCrMoVR系列鋼的研制和生產(chǎn)單位,結(jié)合工程出現(xiàn)的問(wèn)題以及新的工程建設(shè)項(xiàng)目開(kāi)展07MnCrMoVR鋼的深入研究。以往的攻關(guān)多圍繞如何保證焊接接頭的低溫沖擊性能,今后應(yīng)更深入的探討再熱裂紋的產(chǎn)生與防治及多次返修、熱處理對(duì)焊接接頭使用性能的影響等,使之更加完善。       ⑵. 建議GB12337-98《鋼制球形儲(chǔ)罐》,對(duì)于σb≥540MPa且對(duì)再熱裂紋敏感的鋼種,在SR后應(yīng)進(jìn)行一定數(shù)量的射線或超聲復(fù)驗(yàn)。同時(shí)增加熱處理和水壓試驗(yàn)后進(jìn)行比例不少于20%的磁粉檢測(cè)的規(guī)定。

           ⑶. 建議JB4730《壓力容器無(wú)損檢測(cè)》提高對(duì)高強(qiáng)鋼球罐焊接接頭射線檢測(cè)靈敏度的要求。目前該標(biāo)準(zhǔn)的修訂稿JB4730《鍋爐、壓力容器及壓力管道無(wú)損檢測(cè)》已采納此建議,明確規(guī)定:“對(duì)于鍋爐、壓力容器及壓力管道焊縫應(yīng)盡量采用X射線進(jìn)行透照檢測(cè),確因厚度、幾何尺寸所限或工作場(chǎng)地所限無(wú)法采用X射線源時(shí),也可采用γ源進(jìn)行射線透照。此時(shí)應(yīng)盡可能采用高分辨率的膠片,但對(duì)于σb≥540MPa的高強(qiáng)鋼焊縫,則必須采用高分辨率的膠片。

           ⑷ 由于目前球罐的制造安裝標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范如GB12337、GB50094等對(duì)殘余應(yīng)力水平?jīng)]有相應(yīng)的數(shù)值規(guī)定,國(guó)內(nèi)也沒(méi)有殘余應(yīng)力對(duì)球罐延遲開(kāi)裂和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂影響的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),因此應(yīng)引起相關(guān)部門的關(guān)注,組織開(kāi)展此項(xiàng)專題研究。

           ⑸ 微量Ni、B等對(duì)07MnCrMoVR系列鋼的應(yīng)力腐蝕和再熱裂紋有明顯影響。如北京兩臺(tái)10000m3天然氣球罐,使用工況基本相同。1#天然氣球罐所用鋼板Ni含量為0.03%。焊條Ni含量為1.55%。開(kāi)罐檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有85處應(yīng)力腐蝕裂紋。2#天然氣球罐開(kāi)罐檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)裂紋,其所用鋼板和焊條不含Ni。因此作為一個(gè)成熟的鋼種,應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對(duì)Ni、B等的數(shù)量和相應(yīng)的處理措施予以體現(xiàn)。隨意在供貨或冶煉中改變微量元素的組成和數(shù)量,對(duì)于這類鋼的推廣應(yīng)用和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)是不利的。

           ⑹ 在擴(kuò)大國(guó)產(chǎn)07MnCrMoVR系列鋼板的生產(chǎn)能力(包括數(shù)量和板寬幅度大小)的同時(shí)、保證批量生產(chǎn)材料性能的穩(wěn)定性以及定點(diǎn)生產(chǎn)該系列鋼板的配套鍛件08MnNiCrMoVDR和焊材(新J607CF鋼焊條),對(duì)于保證這類鋼的規(guī)范化和安全使用也是至關(guān)重要的。

           ⑺ 由于目前國(guó)產(chǎn)07MnCrMoVR系列鋼板出現(xiàn)的問(wèn)題主要發(fā)生在40 mm以上的中厚板,在所有問(wèn)題沒(méi)有完全弄清楚以前,為了確保壓力容器的長(zhǎng)周期安全使用,有必要適當(dāng)限制鋼板的使用厚度范圍


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