摘要：大型球罐在实际工作过程中，会受到多种不利因素的影响，产生不同程度的裂缝，给安全生产埋下了巨大的安全隐患。因此，通过对大型球罐裂纹形成的深入分析和研究，在此基础上，提出有针对性的修复措施，保证大型球罐始终处于良好状态，为顺利生产提供可靠保证。
关键词：大型球罐；裂纹；修复
前言
球罐是石油化工行业的重要设备。随着我国石化工业的快速发展，球罐数量迅速增加，为石化工业的持续发展提供了设备保障。但是，球罐的工作环境非常恶劣，在工作过程中会长期受到不利因素的影响，可能导致球罐产生裂纹，对球罐的安全使用构成极大的安全隐患。因此，有必要对大型球罐产生裂纹的原因进行分析。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。
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。
2.4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）。
2.5 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。
2.6 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。
2.7 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。
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、焊缝余高严重超标，焊缝内部也存在大量超标缺陷。
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。
4 修复措施
4.1 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。
4.2 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)。
4.3 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。
4.4 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。
4.5 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。
4.6 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。
结束语
总而言之，大型球罐是石油化工行业的重要设备，其能否正常运行具有十分重要的实际意义。但是在大型球罐的工作过程中，会受到多种不利因素的影响，导致其出现不同程度的裂纹，进而影响了大型球罐的安全运行。因此，通过对大型球罐裂纹进行深入的分析研究，并制定有针对性的修复改善措施，确保大型球罐能够始终处于良好的工作状态之中，为生产工作的安全顺利进行提供可靠保障。
参考文献：
[1]王嘉麟等.球型储罐焊接工程技术[M].北京机械工业出版社.2000
[2]石凯等.储运容器的焊接[M].西安 陕西科技出版社.2003