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摘 要： 本文根据现场检测实例和经验，分析了冶金企业储气球罐焊缝内部裂纹和未熔合等面 积型缺陷的产生原因，提出了面积型缺陷的检测方法和控制手段，指出超声波检测比射线检测更适 宜检测球罐面积型缺陷，针对07MnCrMoVR 低合金高强钢制造的球形储罐安装制造阶段应在对接焊 缝100%射线检测的基础上，增加100%超声波检测，投入使用后的首次定期检验应进行100%超声 波检测，对于超声波检测严重超标而射线检测没有发现缺陷部位要做返修处理。 关键词：球罐面积型缺陷超声波检测射线检测 冶金企业球罐主要用以存储氧气、氮气、氩气等，根据生产工艺要求，设计压力一般为3.09MPa， 沧州欧谱工作压力2.94MPa。采用低合金高强钢07MnCrMoVR 的650m3 球罐璧厚为44mm，1000 m3 球罐璧 厚为50mm；材质为16MnR 的400 m3 球罐壁厚为48mm。总结我们所检验检测的一百多台次球罐， 发现的主要问题有表面裂纹和焊缝内部缺陷等，其中焊缝内部缺陷中的裂纹和未熔合等面积型缺陷 既危害大、产生原因复杂，又容易漏检。为保障球罐安全运行，本文就面积型缺陷的产生原因、预 防手段、检测方法等与各位同仁探讨。 一、球罐焊缝面积型缺陷分析 这里所说的焊缝面积型缺陷主要指的是裂纹和未熔合，在低合金高强钢07MnCrMoVR 球罐检测 中发现的大都是裂纹面积型缺陷，而在16MnR 球罐中发现的大都是未熔合面积型缺陷。 1.1 低合金高强钢裂纹分析 07MnCrMoVR 是一种多元微量合金化的低碳低合金调质高强度钢，具有高强度和低裂纹敏感 性，在我国应用已有十几年历史。从检测的三十多台07MnCrMoVR 氧气、氮气球罐来看，近十台 650m3 球罐在检测时发现有内部裂纹，而检测的五台1000 m3 球罐均发现有内部裂纹，既有可能随 着球罐壁厚增大，出现内部裂纹的可能性增大。 我们知道【1】，随着板厚的增大，焊件钢度增大，焊缝的裂纹倾向也增大。由于加入了合金元 素，低合金高强钢的淬硬倾向有所增大，焊缝尤其热影响区会出现各种不好的组织，当形成粗大的 孪晶马氏体时，其缺口敏感性增加，在焊接应力的作用产生冷裂纹。此外，由于扩散氢的富集，在 淬硬脆化区引起显微裂纹，裂纹尖端形成的三向应力区再行诱导氢扩散富集，使显微裂纹扩展为宏 观裂纹，即在扩散氢与应力的共同作用下产生冷裂纹。 按 GB12337 的规定，对厚度大于32mm 的07MnCrMoVR 球壳，应在应力试验之前进行焊后整体热处理，热处理温度565±20℃。07MnCrMoVR 是一种沉淀强化型低合金高强钢，加之壁厚较厚， 形成较大的拘束力，加速钢材沿晶界开裂，这样往往会在焊后消除应力热处理过程沿热影响区产生 再热裂纹。有研究表明【2】：07MnCrMoVR 钢的再热裂纹敏感性介于―非常敏感‖和―敏感‖之间。为 了消除球罐残余应力，往往需要提高热处理温度，但07MnCrMoVR 钢属于再热裂纹敏感的钢种，在 成分和拘束状态确定后，热处理温度不宜提高，这又导致残余应力水平较高的局面。这就是说厚璧 07MnCrMoVR 既易产生冷裂纹，又易产生再热裂纹，所产生的裂纹往往是二种裂纹的混合体。 这样看来，07MnCrMoVR 还不是一种成熟的球罐制造材料，尤其是40mm 以上的中厚板，我们 所检1000 m3 厚50mm 球罐均发现有内部裂纹证明了这一点。在所有问题没有完全弄清楚以前，为 了确保压力容器安全运行，有必要适当限制钢板的使用厚度范围。 1.2 球罐焊缝未熔合缺陷分析 坡口未熔合和根部未熔合对承载截面积的减小都非常明显，应力集中也比较严重，其危害性仅 次于裂纹。未熔合缺陷是在制造、安装过程中产生的，焊接电流过小、焊接速度过大、焊条角度不 对、弧偏吹、母材表面有污物或氧化物都有可能产生未熔合缺陷。 球罐的现场组焊方法是先整体完成球壳板组对，然后进行焊接工作。焊接方法基本为手工电弧 焊，焊接位置包括平、横、立、仰，先在外面进行焊接，然后从内面清根后再进行内面焊接。球壳 板采用不对称X 形坡口，外坡口角度为30°，内面为深窄坡口。在大型球罐现场组装的仰位置焊、 立焊、横焊中，施焊条件较差，使得球罐焊缝中易产生未熔合缺陷。手工电弧焊时层间未熔合产生 情况较少，但如果焊接工艺纪律执行情况不好，例如电压大、电流小、焊速快等，易在根部产生未 熔合缺陷，考虑内面清根情况的坡口角度变化，缺陷角度也基本与坡口平行。在混合型结构球罐中， 面积型缺陷主要出现在施焊位置困难的极带拼缝部位。 二、面积型缺陷的检测 1.现场组焊球罐焊缝面积型缺陷漏检原因分析 中压球罐璧厚较厚，制造、安装时通常采用γ 射线进行对接焊缝无损检测，并进行20%局部超 声波检测。一般来说，采用γ 射线透照对体积型缺陷比较敏感，对于低合金高强钢焊缝，由于缺口 敏感性相应比较高，产生细长型冷裂纹的趋势比较明显，γ 射线透照往往容易造成漏检。同为面积型 缺陷的未熔合，采用γ 射线透照时，也容易产生漏检。 从安装资料中可看出现场组焊球罐检测人员，对20%比例焊缝的超声波检测中，仅使用一种入 射角的横波斜探头，反射波波高不高，处于定量线附近，易造成面积型缺陷的漏检。编制的探伤工 艺无针对性，超声波检测工艺文件先天不足。另外无损检测人员在焊缝γ 射线探伤底片评定合格后， 对γ 射线探伤结果深信不疑，把超声波检测视为应付制造、安装标准的规定，工作质量不高，这也 是缺陷漏检的原因之一。此外与监督检验人员在监检过程中对超声波检测抽查质量也有一定的关联。 2.超声波在检测面积型缺陷的作用 超声波检测对面状缺陷比较敏感，在较厚的球罐无损检测中，超声波检测比射线检测更多检测 出面状缺陷。沧州欧谱我们在五台1000 m3 氧气球罐定检中发现的焊缝内部裂纹，基本都是超声波检测发现 的严重超标部位，这些裂纹只有少量得到了X 射线检测验证，对这些具有裂纹特征的部位进行挖补， 均确认为裂纹缺陷。 在对厚 48mm 的16MnR 球罐超声波检测中，采用两种K 值探头进行检测【3】，所发现的几处 超标缺陷的深度均在离球壳外表面18-20mm 深处。经采用K1、K2 两种不同入射角且入射角差值≥10° 时，用K1 探头检测的同一缺陷最大反射波均比用K2 探头检测的缺陷反射波低10-14dB；采用K2 探头时，同一缺陷的最大波高达到判废线上14dB，而采用K1 探头时，同一缺陷的最大波高仅为定 量线附近。经测定这些指示长度为20-30mm 不等的缺陷，具有缺陷定向反射性，故定性为未熔合缺 陷，用缺陷端点衍射法测定缺陷自身高度为3mm。对超声波检测发现的缺陷部位采用射线拍片，在 射线底片灵敏度和清晰度均满足JB/T4730-2005 标准规定的情况下，射线底片的评定是I 级，且无缺 陷影像。经返修时对缺陷的打磨过程证明，这几处缺陷均为紧密贴合状态的坡口未熔合缺陷。 因此，在球罐的首次定期检验中，检测内部缺陷应采用100%超声波检测，壁厚超过46mm 球罐 还应双面超声波检测或采用两种K 值探头超声波检测，再辅以局部射线检测，对于超声波检测超标 而射线检测没有发现缺陷部位尤其要注意，此时应通过更换超声波探头K 值及检测面进行验证。建 议厚壁球罐安装检测中，除100%射线检测外，还应进行100%超声波检测。 三、球罐面积型缺陷质量控制 1.进行材质复验 按 GB150 的规定，对于调质状态供货的低合金钢板，应逐张进行超声检测，质量等级应不低于 II 级；材料表面不允许有裂纹、气孔、夹杂等缺陷；钢板的化学成分特别是C、P、S 必须在规定的 范围内；保证与07MnCrMoVR 钢相匹配的J607Rh 焊条的强度和超低氢。通过复验，主要板材、焊 材的化学成份、机械性能、含氢量等参数均要达到规范标准。 2.制造、安装过程控制 压制的球壳板几何尺寸应严格按照规范的要求进行控制和验收；支柱及组焊件焊接时，要求球 壳板在中间支撑好，成自然状态，所有的组焊件焊接采用对称均匀布焊；焊件的焊接要进行预热、 后热及控制其层间温度；最后球罐要进行整体热处理。焊前预热可以有效防止冷裂纹，消除应力； 后热主要是消氢，同时也能韧化热影响区和焊缝的组织，对防止裂纹是非常有效的；整体热处理主 要消除应力，从而降低冷裂、脆断的倾向，同时也降低应力腐蚀的倾向和改善接头的组织。 3.无损检测质量控制 射线照相灵敏度一般由三个因素所控制，即对比度、不清晰度和颗粒度，一般来说， X 射线透 照检测面积型缺陷缺陷的能力要比γ 射线高得多。此外，目前国际上用来控制射线检测灵敏度的线 型象质计只对对比度变化敏感，而对不清晰度和透照焦距的变化不敏感。也就是说现行象质计不能 有效地控制不清晰度的变化。因此当采用γ 射线源进行检测时，宜采用高分辨率的细粒度胶片作为 实际检测灵敏度的一种弥补。 超声波检测比射线检测更多检测出面积型缺陷，可以认为射线检测主要是用于检测体积型缺陷 和部分较大的面积型缺陷，而超声波检测应作为检测球罐焊缝内部面积型缺陷的主要手段，尤其是 在安装检测和首次定期检验中。当然，超声波检测没有射线检测直观，缺陷检出率受检测人员水平、 责任心、工作环境等因素影响太多，但关键是一个认识转变问题。我们常在安装交工资料中看到，对于射线检测超标部位肯定进行返修处理，而对超声波检测超标部位则不与处理，这显然是没有认 识到超声波检测的重要性。 衍射时差法TOFD 做为一种新兴的无损检测技术，它是利用缺陷端部的衍射传播时间进行缺陷 定量的方法总称，它可以精确对缺陷定性和尺寸测定，并且还可以精确的测量平面缺陷在璧厚方向 上的高度，为设备的可用性评估提供精确的检测数据。厚璧球罐内部面积型缺陷对射线检测不灵敏， 超声波检测对缺陷定性及缺陷自身高度测量也有一定的困难，而TOFD 在球罐无损检测中具有常规 无损检测技术无法相比的突出优点。因此在球罐检测中，采用100%超声波检测然后用TOFD 技术进 行重点复核是一种比较好的方法。 四、讨论 近来投用的中压球罐容积一般在400 m3 以上，由于工艺参数的要求，壁厚一般都在44mm 以上， 漆膜划格器http://www.qimohuageqi.com存在面积型缺陷的可能性也是比较大的，我们在球罐制造、安装、检验中应该注意以下几点： 1. 控制制造、安装过程中这个产生面积型缺陷的源头是非常重要的，未熔合是制造、安装过程 中产生和遗留下来的，焊缝内部裂纹也主要与制造、安装质量有关。材料复验、组装、施焊、热处 理都必须严格执行相应的工艺纪律，采用γ 射线源进行检测时宜采用高分辨率的细粒度胶片。针对 07MnCrMoVR 低合金高强钢制造的球形储罐应在对接焊缝100%射线检测的基础上，增加100%超声 波检测，应根据球形储罐的具体结构和特点有针对性的制定超声波检测专用工艺卡，保证超声波检 测工艺参数的准确有效。只有射线检测和超声波检测分别合格才能认为相应的无损检测合格。 2. 一定要重视球罐的首次定期检验，宜采用100%超声波检测加局部射线检测方法检测球罐内 部缺陷，对于超声波检测超标而射线检测没有发现缺陷部位应通过更换超声波探头K 值及检测面进 行验证，有条件的话进行TOFD 检测。 3. 超声波检测比射线检测更适宜检测球罐面积型缺陷，超声波检测严重超标而射线检测合格往 往是典型的面积型缺陷部位，此时要对该部位进行返修处理。 参考文献: [1]强天鹏《压力容器检验》 新华出版社 [2]袁榕等对某些 CF-62 钢制压力容器中的裂纹分析与预防措施的建议《压力容器》2003 年2 期 [3]EN1713-1998 |
