液化气储罐常见缺陷及其处理方法

液化气储罐常见缺陷及其处理方法1　引言地埋式液化气储罐作为重大危险源和重要特种设备,由于其使用条件恶劣,一旦其中存在缺陷,很容易造成恶性事故对其使用中的典型缺陷进行分析,有利于及时发现和防治,确保使用安全;同时也有利于提高检验质量,避免含缺陷的危险地下液化气储罐进入使用过程液化石油气本身不具备腐蚀性,不会对title="液化气储罐">液化气储罐造成损伤但民用液化石油气不可避免的含有H2S、水等杂质,与液化气储罐在使用中所受应力共同作用,使液化气储罐产生损伤液化气储罐在液化石油气介质环境中常见的缺陷有裂纹、层状开裂(含鼓包)、表面腐蚀等本文对实际工作过程中的液化气储罐">液化气储罐中缺陷的检验结果和相关案例进行了总结和综合分析2　缺陷分析2.1　裂纹2.1.1　裂纹的分类对152台液化气储罐进行了检验,其中有78台发现裂纹,按不同的分类方法描述和分析如下:1)按裂纹形貌:(1)单条单发型裂纹,共49台液化气储罐单条裂纹基本发生在焊缝上,一条焊缝仅一至两条裂纹裂纹一般无分叉、较短较浅,一般可在2mm深度内打磨消除(2)单条多发裂纹,共21台液化气储罐数量较多但彼此不相联,个别较深需补焊16MnR钢球罐裂纹几乎集中于环焊缝区,多发于焊趾,单侧、单条、较直、较粗、少分枝,其组织硬度[4]高,裂纹多穿晶为主或混合型;卧式液化气储罐多发于焊缝两侧热影响区(3)多条裂纹伴生,共8台液化气储罐裂纹多分叉,个别呈羽毛状密集分布,主要发生于环焊缝两侧,垂直于焊缝;放射状、网状的裂纹主要发生于焊缝、电弧及气割伤处裂纹处常存在淬硬组织2)裂纹一般在焊接接头(焊接热影响区、焊缝)以及气割伤、电弧伤等热损伤部位形成,存在淬硬组织和集中应力的部位都有裂纹,但在以下几种情况下也有发生:(1)制造遗留的微裂纹部分液化气储罐首次全面检验时,内表面焊缝热影响区发现大量单条多发裂纹,较平直;对外表面进行磁粉探伤也发现相应部位的裂纹,只是深度较内表面浅,数量少一些外表面不具备表面裂纹发生的条件,因此可以断定这些微裂纹为制造遗留;同一制造工艺内表面也存在制造遗留裂纹,其发生部位形态与外表面具有一致性(2)打磨后原裂纹部位的扩展裂纹打磨消除后,再次检验时在原位置又发现裂纹可能的原因有:打磨后存在探伤不能发现的微裂纹;打磨后裂纹消除的部位存在一定的损伤;打磨坑处形成的应力集中(3)焊接修理投入使用后新发展的裂纹通常为多条裂纹伴生,主要是由于补焊工艺不当,增加了拘束应力、恶化了组织,诱发了更多裂纹3)按裂纹位置主要为表面开口裂纹,但有以下几种特例也应注意:(1)内部埋藏裂纹只发现一台次上存在一处经到原制造单位调射线探伤底片复查为漏评了的与夹渣共存的裂纹缺陷,使用过程中有轻微扩展(2)焊接热影响区非表面开口的近表面裂纹在焊接过热区淬硬组织部位,有少数裂纹起初磁痕显示较浅淡,用渗透探伤检查不能发现,说明为非表面开口裂纹;随打磨加深,磁痕逐渐浓密清晰,直至裂纹肉眼可见,继续打磨至一定深度,磁痕变淡变细直至消失(3)腐蚀坑底部裂纹腐蚀坑底部易发生应力腐蚀裂纹,打磨掉腐蚀坑表面的腐蚀产物后进行磁粉探伤,常能发现有明显分枝的裂纹(4)鼓包裂纹鼓包表面裂纹多呈放射状,鼓包底部裂纹常呈多分枝状2.1.2　裂纹的性质与成因1)裂纹主要发生在焊接接头(焊缝、热影响区)以及气割伤、电弧伤等热损伤部位、几何形状突变、腐蚀坑底等应力集中部位,是应力与腐蚀性介质共同作用的结果,为应力腐蚀裂纹2)应力腐蚀裂纹产生的条件可以概括为三个方面:拉应力、应力腐蚀敏感性组织和特定的腐蚀介质拉应力可以为来自冷热加工的残余应力、热应力(温差应力)或结构应力(发生在结构突变部位、机械损伤腐蚀等引起的表面损伤部位、由于几何不连续在工作应力下产生的应力集中);应力腐蚀敏感性组织主要决定于材质和热加工工艺;一定的应力腐蚀敏感性组织在特定的腐蚀介质中,即有可能发生应力腐蚀,产生应力腐蚀裂纹3)关于表面微裂纹:由于制造和检测的原因在一定条件下液化气储罐存在微裂纹部分材料具有冷裂纹敏感性、再热裂纹敏感性,制造工艺难以完全避免裂纹只要存在与介质接触的表面裂纹,即使H2S介质浓度较低只要能不断的补充,氢原子在应力梯度诱导下就不断向裂纹尖端扩散和富集,SCC必然发生根据陈学东的研究,即使硫化氢含量较低“对于有高应力集中可能的实际结构压力容器,只要H2S介质能不断的补充,经过足够长的时间(压力容器的一个检验周期足够),SCC必然发生,尤其是存在与介质接触的表面裂[1]纹等”制造微裂纹扩展一般较平直如果液化气储罐仅有制造微裂纹容易被错判为应力腐蚀,二者的一个明显区别在于前者彻底打磨后一般不复发4)非表面开口裂纹的发生发展也不能排除氢的作用根据应力诱导理论和氢压理论,制造遗留缺陷、淬硬组织在近表面时其产生的集中应力对氢有强吸附和诱导作用,使氢在相应部位富集,导致内部首先开裂2.2　氢鼓包与层状开裂2.2.1　检验发现鼓包处材料的硬度、化学成分、机械性能一般无异常,但均存在介质H2S含量超标、钢板有夹层、夹杂一般有以下几种现象:(1)局部鼓包无裂纹;(2)局部鼓包并开裂(图1);(3)大面积鼓包,鼓包表面有裂纹,钢板中夹杂严重(图2);(4)层状微裂纹;(5)台阶状的裂纹-阶梯裂纹2.2.2　鼓包形成的影响因素1)鼓包与H2S浓度:氢诱发裂纹(HIC)的发生和发展取决于H2S浓度,当浓度小于一定值时鼓包明显减慢或不发生2)鼓包与温度:向阳的部位更易发生鼓包裂纹的现象相关研究表明,光照使相应部位壳体[5]金属表面温度升高3℃～6℃3)鼓包与夹杂:钢的纯净度影响夹杂物的含量,进而影响氢诱发裂纹(HIC)的发生HIC主要在长条状的MnS夹杂物上成核,当钢中S含量2.2.2　鼓包形成的影响因素1)鼓包与H2S浓度:氢诱发裂纹(HIC)的发生和发展取决于H2S浓度,当浓度小于一定值时鼓包明显减慢或不发生2)鼓包与温度:向阳的部位更易发生鼓包裂纹的现象相关研究表明,光照使相应部位壳体[5]金属表面温度升高3℃～6℃3)鼓包与夹杂:钢的纯净度影响夹杂物的含量,进而影响氢诱发裂纹(HIC)的发生HIC主要在长条状的MnS夹杂物上成核,当钢中S含量要进行表面磁粉检测发现氢鼓包等缺陷说明H2S浓度已足够大,有可能存在其他层状开裂和应力腐蚀开裂,要加大磁粉检测比例、密集测厚裂纹类缺陷主要为表面开口缺陷,检验中要尽可能的检出更小的缺陷需要较高的检测灵敏度对铁磁性材料的表面、近表面缺陷优先选用磁粉检测,对内表面检测优先采用荧光磁粉检测方法内部裂纹是制造遗留缺陷在一定条件下发展来的,其扩展速度和危害性也应予以重视首次检验对制造遗留的缺陷(主要是形状较危险的夹渣)又存在应力集中的部位应进行内部埋藏缺陷检查,对焊接返修部位、焊缝交叉部位也应抽查检查裂纹类缺陷首选超声检测,后续的检验视上次检验和使用中的变化情况进行发现夹层要检测其与母材自由表面夹角以作为定级依据:夹层一般平行于轧制表面,如有倾角将影响使用安全,应准确测定和分析通过超声或测厚找出最大倾斜角方向,而后采取多点曲线法测量其与母材自由表面的夹角在制造过程中加强对表面微裂纹的控制和检测:应加强球罐安装过程中的磁粉探伤,制造过程也应增加磁粉检测抽查,以减少制造遗留微裂纹4　缺陷处理4.1　裂纹类缺陷处理1)发现裂纹首先应打磨处理;2)打磨至腐蚀余量深度不能消除的,要测量裂纹尺寸,计算无量纲参数G0,可以达到打磨后形成的凹坑在允许范围内不补焊的,按《检规》的要求打磨;3)超出上述范围的应制定焊接返修工艺,按工艺规定处理返修工艺应充分考虑以下因素:将已渗入壳体的氢排除;减少氢在补焊区的聚集;选用整体或局部热处理,回火焊道,焊缝重熔等技术以改善返修部位特别是过热区的组织;松弛和消除残余应力,修整焊趾以减少应力集中4.2　鼓包类缺陷处理发现鼓包后进一步检测确认无其他缺陷后分不同情况处理:(1)对于局部鼓包较轻微无裂纹,可打孔放气顶回或不顶回封焊保留观察(2)对于局部小面积鼓包并开裂,应将鼓包铲除打磨;铲除后对鼓包下金属表面探伤,无裂纹,计算剩余壁厚合格,可以不进一步处理;壁厚不足可视情况予以堆焊(3)对于大面积鼓包、鼓包下面有裂纹、钢板夹杂严重、存在大量层状微裂纹(大面积测厚异常)、台阶状的裂纹—阶梯裂纹应挖补、更换筒节或报废5　检验周期检验周期是确保设备安全使用的合理期限,要考虑安全风险、检验成本、可能发生的缺陷的修理成本,在缺陷发展到一定尺寸(安全、较低修理成本的尺寸)前检出裂纹等缺陷造成的液化气储罐的失效变量因素较多,受制造工艺中的不确定性影响较大,难于定量计算,目前尚无较理想的计算方法须根据检验案例采取较保守的检验周期湿H2S工况下液化气储罐的开裂由于不能消除缺陷发生的原因,不能排除未检出的微裂纹的存在,检验周期应适当缩短《检规》第五条9规定:“介质为液化石油气且有应力腐蚀现象的,每年或根据需要进行全面检验”当存在由于制造工艺带来的裂纹敏感性和制造遗留微裂纹的不确定性时首次全面检验周期,应适当缩短,一般投用后满3年时进行球型液化气储罐标准抗拉强度下限σb≥540MPa材料制造的1年,其他球型液化气储罐一般2年裂纹打磨修理、鼓包更换筒节或挖补下次检验期一般不超过3年;焊接返修或堆焊修理后易产生新生缺陷一般不超过2年;球罐焊接返修后因其重要性和特殊性应进一步缩短,一般使用1年应开罐检验,以防止缺陷发展,有利于消除;以上情况再次开罐检验无新生裂纹检验周期可延长一倍直至正常检验周期鼓包保留的因其扩展的不确定性,检验周期一般不超过1年6　预防措施1)严格控制液化气容器用钢的硫含量,进行硫化物夹杂等级检测,控制硫化物夹杂,增加钢板超声检测的扫察密度,严格对夹杂缺陷进行判定;2)控制介质H2S的浓度及含水量;3)改进和严格执行焊接、热处理工艺,减少焊接接头的淬硬组织,避免焊接冷裂纹加强制造过程的磁粉探伤;4)检验中内表面焊接接头、表面损伤和其他应力集中部位应进行100%磁粉检测,缺陷的焊接修理应加强控制