1000m3LPG球罐定期检验分析与安全评估

摘要：本文就LPG球罐检验方案、通过无损检测、金相、硬度、应力测试、焊缝应力进行综合分析产生裂纹原因、类型，从而制定的返修和预防措施，确保球罐的安全使用。

关键词：球罐 检验 应力分析 安全评价

球罐在设计、制造、安装、使用等过程中，对球罐的会带来安全隐患，从材料选用、结构设计 、现场组装、焊接检验等，每个环节必须严格执行各项标准、规程、规范。本文以某公司1000m3LPG球罐定期检验中发现的裂纹缺陷原因机理进行分析，提出修复方案和预防措施。

1.球罐设计参数

设计压力：1.77 MPa ；设计温度 ：-19-50℃ ；介质：15MnNbR；壁厚32 mm；内径：123000 mm 制造单位：上海安装工程有限公司压力容器厂。该球罐于2008年并投入运行，球罐中储存液化石油气，2011年对球罐进行过全面检验。

2.全面检验情况

2.1.宏观检查 对球罐内外表面进行宏观检查

罐内机械损失160余处，罐外150余处，多数为卡具割除焊疤，以及打磨后形成表面凯坑，最大长度260×15 mm，一般长度为100 mm，最深5 mm，一般深1 mm。首先对球罐所有对接焊缝、人孔和接管与球壳板的连接部位、所有的角接部位、球罐支柱及接管法兰进行了外观检查。重点对球罐的几何尺寸进行了检测，主要包括球壳板对接焊缝错边量和棱角度、焊缝余高、角焊缝焊角高度及焊角尺寸。球罐椭圆度及支柱垂直度经检查良好。

制作检验样板对成型尺寸进行检查：错边量3～8 mm。棱角度6 m；焊缝咬边超标；焊疑成型不良，余高达6 mm，焊缝过渡不圆滑，上大环是最后合拢缝，焊疑边缘与与球壳板几成90°角，最大错边量、棱角度亦产生在此部位。

2.2 .超声波测厚检查

该球罐原设计壁厚32 mm，实测最大厚度32.8 mm，最小厚度31.4 mm，未见异常。检测方案要求采用定点、定位测量，每块球壳板的检测点不少于40个点，检测点在球壳板的中心和边缘均匀分布。

2.3 .焊缝表面探伤检查

球罐焊缝内外表面及附近球壳板范围内进行100%的磁粉检测。球罐的上段支柱和赤道板连接的焊缝外表面进行100%的渗透检测。

2.4. 对焊缝内外表面及热影响区进行100%磁粉探伤检查，内外部缺陷36处，总长1560 mm（后经焊缝表面打磨消除缺陷，复探合格）。发现上大环内表面产生裂纹两条：长1415 mm裂纹，打磨深度3.5～5 mm；长240 mm裂纹，打磨深度2.5～4.5 mm。发现上大环内表面裂纹9条，总长2130 mm，最长710 mm。

2.5. 焊缝超声波探伤检查

球罐所有对接焊缝进行单面双侧100%的超声波检测。超声波检查发现超标缺陷56处，总长7430 mm，深度8～32 mm（探测面为外表面）。

2.6 . 焊缝射线探伤检查

采用射线对超声检验超标缺陷处复探，拍片81张，其中Ⅲ级片13张，Ⅳ级片11张，占拍片总数29.6 %。缺陷为条渣和气孔，属制造缺陷，焊缝未返修。

2.7. 硬度检查

采用里氏硬度法对球壳板的金属硬度进行测量。每块球壳板的检测点不少于20个点，对球壳板的边缘以及纵环焊缝交叉处重点进行测量。

焊道硬度 HB1750-205热影响区 HB162-205母 材 HB140-180

由此可见，焊道及热影响区硬度局部偏高。在球罐组装焊接过程中，下极侧板与赤道带相接的环焊缝属于最后焊接区域，因此容易产生较大的焊接应力。

2.8. 金相检查

对裂纹处进行金相检验，其焊道显微组织为回火索氏体+网状、针状铁素体；热影响区为回火索氏体；母材为铁素体+球光体。从球罐下极侧板与赤道带相接的环焊缝上带有裂纹的部位取样，试样包括母材、熔合区、焊肉及裂纹。断口呈灰色，起伏较大，粗糙，无宏观塑性变形特征。微观上为准解理伴有二次微裂纹。有垂直于主断面的二次裂纹。金相检查发现在焊缝熔合区及热影响区中存在大量的马氏体组织及部分上贝氏体组织。裂纹产生在焊缝熔合区的板条马氏体处，穿过热影响区向母材纵深发展。裂纹扩展初期以沿晶扩展为主，随着热影响区的组织变化转变为穿晶扩展。硬度测定结果，在焊缝熔合线上的硬度值很高。达到高强钢抗拉强度水平。

2.9. 应力测试分析

对球罐采用X射线衍射残余应力仪，对球罐的残余应力进行了现场测试，重点测试表面裂纹的焊缝部位。15MnNbR材料的屈服应力σs为350Mpa，测试结果表明焊缝及热影响区均存在较大的残余应力，有些部位的残余应力水平达到了310Mpa和320Mpa，这些测试数据与标准屈服极限相比达到了0.9以上，如与材质证明的实测数据相比，亦超过了0.8。

2.10 .安全附件校验

安全阀、温度表、压力表进行重新标定；进出气球阀、三通阀、手动放散阀进行维护和试验。

2.11.基础沉降观测

对球罐14个支柱的沉降量进行测量。

2.12.气密性试验

采用压风车压缩空气压入球罐，按照球罐的设计图纸要求试验压力为1.65 MPa，并保压不少于30min，在压力检测点进行法兰密封面的泄漏检查。

3. 球罐裂纹成因分析

经以上检验，该球形储罐建造质量不良，焊缝错边量、棱角度、焊缝余重超标，焊缝内部也存在大量超标缺陷。

3.1. 球罐上大环处焊缝的应力分析

球罐上大环处焊缝的应力主要包括整体薄膜应力σ1、焊缝开头不连续引起的局部应力σ2、焊接残余应力σr。均匀分布的σ1：σ1=Pw（Di+δ）/4δ （1）

式中Pw--球罐工作压力 1.6 MPa Di--球罐内身直径 12300 mm δ--球片厚度 32 mm

代入式（1）得σ1=154MPa。焊缝错边量、棱角度超标（考虑焊缝余高超标因素）引起的局部应力σ2（按CVDA-84规范）：σ2=[3（W+h）/δ+0.5] σ1 （2）式中（W+h）--最大棱角度 （8+6）mm代入式（2）得σ2=277 MPa。焊接残余应力σr：用焊接当量拉应力σ3表示σ3=αrσs =0.6σs（3）式中σs--材料屈服强度为 350 MPa对于球罐表面及补焊处取αr=0.6（按CVDA-84），代入式（3）得σ3=210 MPa。球罐焊缝主应力σ=σ1+σ2+σ3=641 MPa，已超过材料的屈服极限值。由于此台球罐焊接质量不良，焊缝错边量棱角度焊缝余高超标，使得上大环焊缝处产生应力集中，其应力已超过球片材料的屈服极限，在其反复作用下，使材料的晶料之间发生滑移和位错，逐渐形成微裂纹，并不断扩展，形成宏观疲劳裂纹。

3.2 .热处理和显微组织对疲劳极限的影响

一切影响强度和塑性的组织结构因素，都对材料的疲劳抗力有明显的影响。

凡是提高材料抗拉强度的热处理措施一般都可提高其疲劳极限。在同样的抗拉强度条件下，改善材料的显微组织对提高疲劳强度也是有利的。

试验表明，回火索式体的正断抗力和切断抗力均较低，其疲劳极限比回火屈式体和回火马式体较低。焊道与热影响区局部硬度偏高，也使得材料的疲劳强度有所降低。

3.3. 对于液化石油气介质的球罐，表面裂纹要比埋藏缺陷危害更大。因为在表面缺陷处将导致应力集中，介质中含有硫化氢腐蚀介质，通常表面缺陷处发生局部应力腐蚀而导致球罐裂纹延伸直至破裂。

4. 球罐的修复和预防措施

4.1. 球罐组焊在制造时焊接人员未按规范标准要求进行施焊，焊接质量控制不严，焊缝中的氢不能逸出，导致焊缝中氢含量较高，在球罐焊接过程中出现氢脆裂纹。

4.2.球罐设计、制造时应选用塑性较好的材料。塑性好的材料，抗低周疲劳性能，保证材料具有一定强度的条件下，应尽可能担高材料的塑性和韧性。

4.3. 球罐制造安装时应严格控制其球片成型尺寸和组装焊接尺寸，避免焊接接头部位、结构不连续部位以及开孔和接管附近区域产生高应变区。

4.4. 安装时应根据所选用的材料制订热处理工艺，以提高材料的抗拉强度和改善显微组织结构，降低焊接残余应力，提高材料疲劳极限。

4.5.使用单位在球罐实际运行时，要控制液化石油气中H2S和水的含量不超标，定期排水，提高pH值

5. 结语

通过以上对1000m3LPG球罐的检验综合分析，提出了严格控制球罐在设计安装过程中组焊中的预热温度、层间温度和焊后热处理工艺条件，使焊接时产生的氢有效逸出的应对措施，提高材料的疲劳强度。在今后的液化石油气球罐设计、安装、使用、检验中避免材料出现疲劳裂纹、氢脆裂纹，应力腐蚀裂纹等现象，从而确保球罐的安全使用，避免重大事故发生。

参考文献：

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