氧气球罐首次开罐检验中裂纹产生的原因

球罐与圆筒容器（即一般贮罐）相比,在相同直径和压力下,壳壁厚度仅为圆筒容器的一半,钢材用量省,且占地较小,基础工程简单.球罐作为一种高效的Ⅲ类存储容器,近些年在石油、化工、冶金等行业广泛应用.

由于球罐体积、直径较大,不能整体运输,必须在制造厂压制球片、加工制造支柱等部件,然后运到使用现场进行组装、焊接.在组装、焊接过程中,因受野外工作条件影响,其焊接质量得不到保证.一般球罐首次开罐检验都会在其表面发现多处裂纹,但在以后的检验过程中,随着应力逐渐释放,裂纹也将较少产生.所以球罐检验首次开罐检验尤其重要.

2010年我单位就新余某钢厂一台1000m3氧气球罐进行首次开罐检验,该球罐由合肥通用机械研究院2004年3月设计,由中国一冶工业建设安装工程公司制造、安装,主材选用的是厚度为46mm的高强钢（07MnCrMoVR）,在施工现场进行组焊.于2009年2月安装竣工,并于2009年8月投入使用.

一、无损检测

表面无损检测：由于07MnCrMoVR为铁磁性材料,所以表面无损检测采用磁粉检测法.磁粉检测法是基于缺陷处漏磁场与磁粉的相互作用而显示铁磁性材料表面和近表面缺陷的无损检测方法.磁粉法检测技术在检测铁磁性材料表面及近表面裂纹、折叠、夹层以及夹渣等方面均得到了广泛应用.检验过程中对该球罐的对接接头、接管角焊缝及热影响区进行内外表面100％磁粉检测,立柱角焊缝及热影响区外表面100％磁粉检测.

内部无损检测：采用超声波检测法对球罐外表面进行单面双侧100％超声波检测.超声波检测是利用超声波在介质中传播时产生衰减,遇到界面产生反射的性质来检测被检物内部缺陷的无损检测方法.

二、裂纹统计

检验过程中,通过磁粉检测,在球罐内外表面共发现裂纹23处,其中单个裂纹最长500mm,最深4mm,其多数产生于上极板内表面和赤道带上.超声波检测时未发现超标缺陷.

三、裂纹产生的原因及分析

1.材质

钢的焊接性能主要取决于它的化学成份,随着钢材强度级别的提高和钢中合金元素的增加,焊接性能也随之发生变化.该球罐材质（07MnCrMoVR）为低合金高强钢,其淬硬倾向大,冷却速度控制不好极易产生冷裂纹,同时因板厚大,需选用多层焊接,将导致焊缝及热影响区因多次施焊而反复受热,冷却方式往往是空冷,这样必将导致材质硬化和冷裂纹倾向增大.

2.组装

由于此球罐由30块球壳板拼装而成,这些球壳板在工厂加工后再运至施工现场.所以在组装过程中,往往由于各极板间不能完全吻合而需进行强力组装,就将产生约束应力,但如果约束应力释放不完全,将导致裂纹的产生.

3.焊接

球罐焊接采用的焊接方法、焊接线能量的大小、焊接的预热等不当都将容易使球罐产生裂纹；焊接次序的不合理,导致球体内的应力不能最大限度地释放,而残余应力很大,也容易形成冷裂纹、热裂纹；焊接形成的小缺陷,如表面气孔、弧坑、裂纹等,容易产生微裂纹,在球罐加压使用时裂纹也容易扩张；施焊环境恶劣（如焊前预热和施工天气等）和焊接位置差（如上极板内表面和下极板外表面的仰焊等）等都将影响焊接质量,从而导致裂纹的产生.

4.热处理

此球罐采用的热处理方式是内部燃烧法.其工艺原理是:将燃烧器置于球罐内,以柴油为燃料,用压缩空气将柴油雾化点燃,加热球罐,按照工艺要求使球壳板温度以一定的速度均匀上升,达到一定的热处理温度,并根据需要保持一定的恒温时间,再以一定的降温速度均匀下降,降至环境温度即完成了热处理过程.

在该过程中,由于供风量、供油量及风油比的控制是采用人工控制,难以保证供油、供风的比例,且热工参数的计算也无法实时进行,使热处理结果不理想.此热处理过程中也将导致各个部位受热不均,球体上部温度高于下部温度,导致内应力不能完全释放,在某处产生应力集中,从而导致裂纹的产生.

5.使用工况

由于炼钢供氧系统用氧量波动很大,氧气球罐运行时出现周期性的压力波动,氧气球罐承受交变循环载荷,在其反复作用下,使材料的晶粒之间发生滑移和位错,逐渐形成微裂纹,在载荷的不断循环下微裂纹会不断扩展.

四、结语

由于施工条件、技术力量、施工人员素质等方面的因素,一般球罐首次开罐检验都会在其表面发现多处裂纹,所以首次外表面磁粉检测尤其重要,但随着内部应力的逐渐释放,往后检验过程中裂纹也将较少产生.