200m3液氨球罐裂纹成因分析及修复措施

摘要：本文对一台200m3液氨球罐使用过程中产生裂纹的原因进行了分析并提出了相应的返修方案。

Abstract：this article had the crack reason to a 200m3 liquid ammonia spherical tank use process to carry on has analyzed and proposed the corresponding repair plan.

关键词：球罐 裂纹 分析 修复

Key word：Spherical tank Crack Analysis Repair

一、概述

某化工厂一台200m3液氨球罐于1999年进行现场组焊，2000年2月正式投入使用，该球罐的设计参数如表1所示。

2002年5月对该球罐进行了投用后的首次开罐检验，经超声波检测发现，赤道板A4与A5之间的焊缝内部存在一处严重超标缺陷，缺陷的位置距离下环缝约1740mm，随后对该处进行射线拍片复查，确认该处缺陷为一长约60mm的裂纹，裂纹走向近似平行于焊缝，靠近熔合区。

为确定裂纹形成的原因，对球罐现场组焊的检测记录进行了复查，从射线底片评定记录中发现，该处存在一条状夹渣，长度为11mm；从球罐组装尺寸记录上可以查到，组焊时该处的棱角度及焊缝对口错边量分别为3mm和6mm／m；根据GB50094－98《球形储罐施工及验收规范》，焊缝对口错边量不大于3mm，棱角度不大于7mm/m；射线检测执行JB4730－94标准，Ⅱ级合格，允许存在的条状夹渣尺寸不大于1／3倍的板厚；可见裂纹产生处的焊缝对口错边量、棱角度及条状夹渣尺寸都不超标，但都接近规范所允许的最大临界值；重新对该处进行测量，尺寸变化不大。

二、裂纹成因分析

2.1 应力集中的影响

该处由于对口错边量及棱角度引起的应力集中计算如下：

式中：－球罐膜应力； －球罐最高工作压力；－球罐直径；－球罐壁厚。

应力集中系数：式中：－应力集中系数；W－棱角度；h－焊缝对口错边量

由于错边和棱角度引起的应力：

式中：－由错边和棱角度引起的应力集中。

16MnR在设计温度下的许用应力为163MPa，可见当球罐工作压力达到最高工作压力时，裂纹产生处由于对口错边量及棱角度引起的应力集中已经超过材料的许用应力。

2.2 缺陷尺寸的影响

由于该条状夹渣细长且两端较尖，可将其按照埋藏裂纹来评价其对材料安全性能的影响；根据《压力容器缺陷评定规范》对该处允许存在的裂纹尺寸进行计算：

式中：

1－沿截面均匀分布的拉应力

2－面外弯曲应力的当量拉伸应力

3－残余应力的当量拉伸应力

总应变：

式中：

－总拉应变

1－拉应力对应的应变

2－面外弯曲应力的当量拉伸应力对应的应变

3－残余应力的当量拉伸应力对应的应变

4－屈服应力对应的应变

5－球罐材料的弹性模量

由于＞s，所以取

式中：

am－允许存在的最大裂纹尺寸

－裂纹张开位移的临界值

由上述计算可见，条状夹渣的尺寸远大于允许存在的裂纹尺寸，虽然条状夹渣的开裂倾向小于裂纹，但由于其长度较大，两端较尖，仍然具有较大的开裂倾向。

三、修复措施

3.1 缺陷的清除

用碳弧气刨挖除缺陷，同时加工出坡口并用砂轮打磨破口，去除渗碳层，使坡口呈现出金属光泽。

3.2 预热

对坡口及其两侧各100mm范围内进行预热，预热温度为150～200℃(与现场组焊时的预热温度相同)。

3.3 焊补

用J507焊条分段对坡口施焊，每层焊后将焊渣清除干净，清渣后保持层间温度不低于150℃，焊条在焊补前应烘干。

3.4 焊后消氢

焊后立即对修复焊道及两侧母材（＞100mm范围内）进行加热，温度为200～500℃，时间为半小时。

3.5 焊后检验

焊后对焊缝进行外观检验，不允许存在咬边等缺陷，焊后24小时对修复处进行100％MT检测，上述检验项目合格后再进行射线拍片确认。

3.6 水压试验

焊后检验合格后，对球罐整体进行水压试验，试验过程按照GB50094－98《球形储罐施工及验收规范》的规定进行。

四、结束语

由上述分析可见，裂纹产生处焊缝对口错边量、棱角度及条状夹渣尺寸都不超标，但都接近标准规定的最大临界值，当这些因素集中到同一个部位时仍然有可能导致设备失效，因此我认为，在压力容器监督检验时不能孤立地考察某一个具体的指标，而应对各项指标进行综合评定，当各个处于临界值的指标集中在同一个部位时应相应地提高验收标准，才能保证压力容器的安全运行；另外，压力容器使用单位应尽量减少运行过程中压力波动的幅度与频率，尤其是大幅度波动，因为压力波动幅度对疲劳裂纹的扩展速率具有较大的影响。