淺談如何提高在用球形儲罐的安全性

作者：羅文進段長海馬廣強　　評論：　 ? 收藏本頁

摘? 要：? 球形儲罐是一種鋼制容器設備。在石油煉制工業和石油化工中主要用于貯存和運輸液態或氣態物料。操作溫度一般為-50～50℃,操作壓力一般在3MPa以下^[1]。球罐與圓筒容器（即一般貯罐）相比，在相同直徑和壓力下，殼壁厚度僅為圓筒容器的一半，鋼材用量省，且占地較小，基礎工程簡單。球罐作為大容量、承壓的球形儲存容器，廣泛應用于石油、化工、冶金等部門，它可以用來作為液化石油氣、液化天然氣、液氧、液氨、液氮及其他介質的儲存容器，也可作為壓縮氣體（空氣、氧氣、氮氣、、氫氣、城市煤氣）的儲罐。由于球形儲罐操作壓力相對較高、介質危險系數較大，同時擔負著生產介質緩沖的重要作用，所以其安全性就顯得尤為重要。本文以本鋼燃氣廠氫氣、氮氣球形儲罐為例，就全國各冶金、化工企業球形儲罐經常出現的各類缺陷，及缺陷的預防和處理、定期檢驗等方面存在的共性問題進行探討，旨在提高在用球形儲罐的安全性。

關鍵詞：球形儲罐；安全；缺陷；檢驗

??The key technology of safety quality control and application of spherical tank

Anshan Gas General Company,????? ( 114002),?? LUO Wenjin

Benxi steel group company limited?? (117000)?? Duan Changhai?? Ma Guangqiang

???????????? ^Abstract^：^{Spherical storage tank is a steel container equipment. In the petroleum refining industry and the petrochemical industry is mainly used for storage and transport of liquid or gaseous materials. Normal operating temperature is-50~50℃, 3MPa operating pressure in General. Sphere and cylinder container (tank), than the same diameter and pressure, shell wall thickness of only half of the cylinder container, steel consumption province and covers an area of small, basic engineering simple.}^{The spherical bearing of spherical tank as a large-capacity, storage containers, widely used in petroleum, chemical, metallurgy and other sectors, it can be used as liquefied petroleum gas, natural gas liquids, liquid ammonia, liquid oxygen, liquid nitrogen and other media storage container, or as a compressed gas (air, oxygen, nitrogen, and hydrogen gas, city gas) tank. Due to the spherical tanks operating pressure is relatively high risk, medium, large, and responsible for the production of the important role of media buffered, so their security is particularly important. This article to hydrogen, nitrogen gas plant of Benxi steel spherical tanks, for example, metallurgical and chemical enterprises nationwide spherical tanks frequently occurring defects, defects prevention and treatment,}^{and discuss general issues with respect to periodic inspection, is designed to improve the safety of spherical tank in use.}

?????????????? Keywords：Spherical tanks, security, defects inspection

1前言

1.1 選題背景

球形儲罐是一種鋼制容器設備。在石油、冶金、化工中主要用于貯存和運輸液態或氣態物料。球罐作為一種大容量、承壓的球形儲存容器，廣泛應用于石油、化工、冶金等部門，它可以用來作為液化石油氣、液化天然氣、液氧、液氨、液氮及其他介質的儲存容器。也可作為壓縮氣體（空氣、氧氣、氮氣、氫氣、城市煤氣）的儲罐。球形罐與立式圓筒形儲罐相比，在相同容積和相同壓力下，球罐的表面積最小，故所需鋼材面積少；在相同直徑情況下，球罐壁內應力最小，而且均勻，其承載能力比圓筒形容器大一倍，故球罐的板厚可為相應圓筒形容器壁板厚度的一半。

我國制造球形儲罐始于20世紀60年代初。但隨著國民經濟的高速發展和改革開放的需要，近年來球形儲罐的制造技術已得到了飛速發展。目前國內已獨立制造或引進了不同規格和用途的球罐多臺套，其最大容積已超過10000 m³，最大壓力超過3MPa，最低設計溫度在-30℃以下。即使球形儲罐的制造水平已經有了很大的提升，但其發生的事故仍使我們觸目驚心。1998年，陜西省某煤氣公司液化氣管理所儲罐區一個400 m³球形儲罐發生大面積嚴重液化氣泄漏事故，造成重大傷亡及財產損失。2000年云南省某磷肥廠一臺400m³ 氮氣球罐因檢修需要,在降壓放空排氣時 (當時罐內壓力為1.9MPa),其頂部的放空管與人孔蓋封頭的連接處突然斷裂,斷開后的放空管從兩個操作人員之間飛過墜入地面，其事故危害程度及造成的經濟損失令人堪憂。如何提高球形儲罐的安全性能值得探討。

1.2燃氣廠現狀

本鋼燃氣廠現有球形儲罐8臺，其中氫氣球罐4臺（200 m³兩臺、400 m³兩臺），氮氣球罐5臺（400 m³一臺1000 m³三臺）。主要負責緩沖系統壓力波動以及當PSA制氫系統、氮凈化系統故障狀態作為應急氣源使用。其中，1000 m³氮氣球罐設計壓力達到3.03MPa，操作壓力也達到2.9MPa左右；400 m³氫氣球罐操作壓力亦在1.45MPa，介質危險、壓力較高，危險程度較大。同時在歷年的全面檢測當中，也有部分球罐發現了裂紋、未融合等缺陷，經檢修均已消除隱患。

為能保證壓力容器安全穩定，保證生產順行，就必須做好這幾臺球罐的安全管理工作，無論從日常操作、年度檢驗、缺陷預防及處理等方面都需要我們給予重點關注。

2.球形儲罐常見缺陷

2.1球殼板材料的缺陷

球殼板材料大多數是低合金高強度鋼，有16MnR、15MnVR、07MnCrMoVR等。其缺陷主要是指由于鋼材在冶煉和軋制過程中產生的一切缺陷。常見的有重皮、分層、疏松、非金屬夾雜物、組織和成分的偏析等。這些缺陷會嚴重影響鋼材的機械性能及使用性能。

2.2球罐球殼板在組對、焊接時產生的缺陷

球殼板在組對時，由于球殼板壓制質量好壞、施工單位安裝水平高低不同、安裝順序編排等因素，球殼板間通常存在或多或少的角變形、錯邊量、棱角度等，導致一些球殼板在組對時發生強力組裝，從而形成組裝應力。特別是對大型球形儲罐，由于球殼板制造難度大，幾何尺寸難以保證，對現場組對水平要求甚高，這一問題顯得尤為突出。

球殼板在焊接時常見的缺陷有裂紋、夾渣、氣孔、未融合、尾寒頭與咬邊等。球殼板在焊接過程中產生的裂紋主要有冷裂紋、熱裂紋及再熱裂紋三種。熱裂紋主要存在于低溫球罐焊接機采用鋁合金制的球罐中；再熱裂紋是設備在焊后消除應力熱處理過程中或在高溫中產生的；焊接冷裂紋是在焊后較低溫度下形成，一般在馬氏體轉變溫度以下，它是由于拘束應力、淬硬組織和氫的作用下產生的裂紋。這種裂紋與氫有關，又有延遲開裂的性質，因此焊接冷裂紋又稱焊接氫致裂紋或延遲裂紋。同時，焊接預熱溫度不夠也會產生冷裂紋。

球罐焊接時產生夾渣、氣孔、未融合、尾寒頭與咬邊等焊接缺陷其主要原因有：（1）焊條工藝性能不良、焊接電流現則不正確（夾渣、未融合、未焊透）。（2）環境濕度高、風速大、焊條含氫量過高、烘干不完全（氣孔）。（3）焊工操作水平的高低、焊條角度、運條方式、電弧長度等（咬邊）。

2.3球罐使用時球殼板、焊縫處發生的氫鼓泡、裂紋等現象

球罐在使用時，因存儲介質環境所造成的的腐蝕破壞是經常發生的，它使球罐表面受到破壞，產生腐蝕坑、溝槽甚至裂紋，使鋼材的力學性能惡化，導致球罐失效。造成腐蝕的原因有多重，如一般腐蝕、點蝕、氫脆、俯視疲勞等^[2]。

氫鼓泡的發生有如下特點：1、介質中硫化氫濃度超標；2、產生的部位有很強的選擇性，主要集中在材料中S含量較高的球殼板上，板材的質量對氫鼓泡的形成有著非常重要的作用.在含有硫化氫的條件下，高強鋼、16MnR鋼，若氫大量擴散均能引起失效。對16MnR鋼，在材料硬度不大的情況下一班表現為氫鼓泡，而對高強鋼則表現為應力腐蝕，高強鋼吸收少量的氫也可能會發生氫脆。

根據氫脆理論，氫向應變集中區如裂紋或缺口剪短附近擴散，當氫濃度達到某一臨界值時，裂紋開始擴展，當裂紋擴展到一定長度后，在應力作用下邊發生突然斷裂。應力是導向氫開裂是金屬材料在拉伸應力和氫質環境的共同作用產生的破壞。

3.缺陷的預防與處理

3.1缺陷預防

3.1.1減少氫的來源

第一，球罐的焊接選用與母材相匹配的低氫型焊條，必要時要采用超低氫型的焊條；第二，焊條使用前一定要按產品使用說明進行烘干，并貯存在恒溫箱中。在使用時放入保溫筒內并隨用隨取，重復烘干不得超過兩次；第三，要徹底去除焊接坡口表面及坡口兩側至少20mm范圍內的油污、水分、鐵銹及其他雜物；第四，不在雨雪天及相對濕度大于90%時施焊。

3.1.2選用適當的焊前預熱及焊后后熱溫度

適當的預熱溫度降低焊縫冷卻速度，可使氫更易從焊縫熔池向大氣中擴散，避免產生氫致裂紋。同時減少焊縫及熱影響區的淬硬程度提高了焊接接頭的抗裂性。一方面減小溫差應力，另一方面降低了焊接應變速率，有利于避免產生焊接裂紋。在隨著焊接層數的增多，焊縫中擴散氫會逐漸積累。因此焊后應立即進行后熱，使擴散氫充分的溢出，同時降低焊縫中的殘余應力，降低冷裂紋產生的可能性。

3.1.3焊接過程中避免工藝缺陷的產生及合理采用層間溫度與線能量

咬邊、氣孔、弧坑等工藝缺陷部位是應力集中區，這些部位容易產生裂紋。保持適當的層間溫度，適當的層間溫度也能延緩焊縫的冷卻時間，起到一定的去氫和降低殘余應力的作用，層間溫度不得低于預熱溫度下限值。線能量過大，降低焊縫和熱影響區的硬度和韌性。線能量小，焊接熱輸入不足，熔池溫度不夠，冷卻速度快，容易產生淬硬組織，造成焊縫應力集中，并容易致氫產生裂紋。所以應合理的選擇線能量。

3.1.4避免強力組裝及減小錯邊和棱角度

強力組裝將使球罐在焊接前就存在較大的附加內應力，在錯邊和棱角度存在的部位，曲率發生了突變，焊后將會存在非常大的殘余內應力。

3.1.5采用合理的焊接順序

采用合理的順序使整臺球罐同時對稱地收縮或膨脹，這樣能控制焊接變形，減小焊接殘余應力。球罐焊接應遵循先縱縫后環縫，先大坡口后小坡口，焊工應對稱、均勻施焊。

3.1.6避免應力腐蝕措施

根據球罐工作介質的性質，有條件的可在球罐內壁噴涂兩道鋁粉，防止介質在罐體內表面產生腐蝕坑及脆化層，從而避免了應力腐蝕裂紋的再生成。

3.2缺陷處理

以本鋼燃氣廠400 m³，材質為16MnR的氮氣球罐為例，在2011年全面檢測中發現兩處裂紋缺陷，一處長25mm，另一處長16mm。針對這兩處缺陷編制適用于本球罐的焊接工藝評定，并根據焊接工藝工藝評定編制焊接工藝卡（表一），經焊接責任工程師審批后實施。

表一焊接工藝卡

產品名稱	設備材質	焊條	熱處理溫度（℃）
400 m³氮氣球罐	16MnR	J507	625±25

3.2.1缺陷的去除及坡口加工

根據無損檢測所確定的修理位置，在設備罐體上畫好返修位置。用氣刨將缺陷清除，缺陷清除后將待焊部位加工成寬度均勻、表面平整、便于施焊的凹槽，且兩端有圓滑的槽型結構，左右和上下均圓滑過渡，坡口型U型。缺陷清楚后進行滲透檢測，確認所有缺陷已經全部清除。施焊前應清除坡口及母材兩側表面20mm范圍內的氧化物、油污、熔渣及其他有害物質。且不得有裂紋、夾層等缺陷。

3.2.2焊接及焊縫表面尺寸、外觀要求

焊接工藝采用焊條電弧電焊，保證焊透和融合完好的條件下采用小電流、短電弧、快焊速和多層多道焊工藝。焊縫焊完后立應即去除渣皮、飛濺物等，清理干凈表面焊縫，然后進行外觀檢查。不得有裂紋、咬邊、氣孔、夾渣等缺陷。

3.2.3無損檢測

修理后的焊接接頭經尺寸形狀外觀檢查合格后進行無損檢測。無損檢測采取100%射線，Ⅱ級合格；100%磁粉檢測，Ⅰ級合格。

3.2.4 壓力試驗

所有焊縫經無損檢測合格后進行水壓試驗。水壓試驗要求用水為15℃以上的潔凈水，試驗壓力要緩慢上升，升到試驗壓力的50％時保持15分鐘，再檢查。當達到試驗壓力后，保持30分鐘，然后將壓力降至設計壓力至少保持30分鐘，以對所有修理部位進行全面檢查，無異常聲響、無可見變形和無滲漏為合格。待相關技術負責人、質檢員和在建廠現場檢查確認后方可泄壓放水。注意放水前打開排氣孔，以免出現真空。

4.定期檢驗

4.1定期檢驗的意義

壓力容器的定期檢驗是指在壓力容器使用的過程中，每隔一定期限采用各種適當而有效的方法，對容器的各個承壓部件和安全裝置進行檢查和必要的試驗。通過檢驗，發現容器存在的缺陷，使他們在還沒有危及容器安全之前就被消除或采取適當措施進行特殊監護，以防壓力容器在運行中發生事故^[3]。
????? 壓力容器在生產中不僅長期承受壓力，而且還受到介質的腐蝕或高溫流體的沖刷磨損，以及操作壓力、溫度波動等的影響。因此，在使用過程中會產生缺陷。有些壓力容器在設計、制造和安裝過程中存在著一些原有缺陷，這些缺陷將會在使用中進一步擴展。
????? 顯然，無論是原有缺陷，還是在使用過程中產生的缺陷，如果不能及早發現或消除，任其發展擴大，勢必在使用過程中導致爆炸事故。
壓力容器實行定期檢驗，是及時發現缺陷，消除隱患，保證壓力容器安全運行的重要的必不可少的措施。

4.2無損檢測

4.2.1射線檢測

作為五大常規無損檢測方法之一的射線探傷，在工業上有著非常廣泛的應用，它既用于金屬檢查，也用于非金屬檢查。對金屬內部可能產生的缺陷，如氣孔、針孔、夾雜、疏松、裂紋、偏析、未焊透和熔合不足等，都可以用射線檢查。應用的行業有特種設備、航空航天、船舶、兵器、水工成套設備和橋梁鋼結構。

射線照相法能較直觀地顯示工件內部缺陷的大小和形狀,因而易于判定缺陷的性質,射線底片可作為檢驗的原始記錄供多方研究并作長期保存。但這種方法耗用的X射線膠片等器材費用較高，檢驗速度較慢，只宜探查氣孔、夾渣、縮孔、疏松等體積性缺陷，能定性但不能定量，且不適合用于有空腔的結構，對角焊、T型接頭的檢驗敏感度低，不易發現間隙很小的裂紋和未熔合等缺陷以及鍛件和管、棒等型材的內部分層性缺陷。此外，射線對人體有害，需要采取適當的防護措施。

4.2.2超聲波檢測

超聲波檢測也叫超聲檢測，Ultrasonic Testing縮寫UT，超聲波探傷，是五種常規無損檢測方法的一種。超聲波探傷是利用材料及其缺陷的聲學性能差異對超聲波傳播波形反射情況和穿透時間的能量變化來檢驗材料內部缺陷的無損檢測方法。當今國內有關的超聲波檢測標準為JB/T4730.3，GB/T11345-1989，CB/T3559-2011等，JB/T4730.3為一個比較綜合性的標準，而后面兩個標準為焊縫檢測標準，還有其它的的鋼板，鑄鍛件等檢測標準，使用者可根據需要進行相應的查詢。

超聲波探傷優點是檢測厚度大、靈敏度高、速度快、成本低、對人體無害，能對缺陷進行定位和定量。超聲波探傷對缺陷的顯示不直觀，探傷技術難度大，容易受到主客觀因素影響，以及探傷結果不便于保存，超聲波檢測對工作表面要求平滑，要求富有經驗的檢驗人員才能辨別缺陷種類、適合于厚度較大的零件檢驗，使超聲波探傷也具有其局限性。

4.2.3磁粉檢測

磁粉探傷利用工件缺陷處的漏磁場與磁粉的相互作用，它利用了鋼鐵制品表面和近表面缺陷（如裂紋，夾渣，發紋等）磁導率和鋼鐵磁導率的差異，磁化后這些材料不連續處的磁場將發生崎變，形成部分磁通泄漏處工件表面產生了漏磁場，從而吸引磁粉形成缺陷處的磁粉堆積——磁痕，在適當的光照條件下，顯現出缺陷位置和形狀，對這些磁粉的堆積加以觀察和解釋，就實現了磁粉探傷。

磁粉探傷的優點是：對鋼鐵材料或工件表面裂紋等缺陷的檢驗非常有效;設備和操作均較簡單;檢驗速度快，便于在現場對大型設備和工件進行探傷；檢驗費用也較低。缺點是：僅適用于鐵磁性材料；僅能顯出缺陷的長度和形狀，而難以確定其深度；對剩磁有影響的一些工件，經磁粉探傷后還需要退磁和清洗。

磁粉探傷的靈敏度高、操作也方便。但它不能發現床身鑄件內的部分和導磁性差（如奧氏體鋼）的材料，而且不能發現鑄件內部分較深的缺陷。鑄件、鋼鐵材被檢表面要求光滑，需要打磨后才能進行。

4.2.4滲透檢測

滲透探傷是利用毛細現象檢查材料表面缺陷的一種無損檢驗方法。20世紀初，最早利用具有滲透能力的煤油檢查機車零件的裂縫。到40年代初期美國斯威策 (R.C.Switzer)發明了熒光滲透液。這種滲透液在第二次世界大戰期間，大量用于檢查軍用飛機輕合金零件，滲透探傷便成為主要的無損檢測手段之一，獲得廣泛應用。常用的滲透探傷方法有著色滲透探傷、熒光滲透探傷、水洗型滲透探傷、溶劑去除滲透探傷。

滲透探傷操作簡單,不需要復雜設備,費用低廉，缺陷顯示直觀，具有相當高的靈敏度,能發現寬度1微米以下的缺陷。這種方法由于檢驗對象不受材料組織結構和化學成分的限制。但對于結構疏松的粉末冶金零件及其他多孔性材料不適用。

4.2.5聲發射檢測

通過接收和分析材料的聲發射信號來評定材料性能或結構完整性的無損檢測方法。材料中因裂縫擴展、塑性變形或相變等引起應變能快速釋放而產生的應力波現象稱為聲發射。聲發射技術的應用已較廣泛。可以用聲發射鑒定不同范性變形的類型，研究斷裂過程并區分斷裂方式，檢測出小于 0.01mm長的裂紋擴展,研究應力腐蝕斷裂和氫脆，檢測馬氏體相變，評價表面化學熱處理滲層的脆性，以及監視焊后裂紋產生和擴展等等。在工業生產中，聲發射技術已用于壓力容器、鍋爐、管道和火箭發動機殼體等大型構件的水壓檢驗，評定缺陷的危險性等級，作出實時報警。

聲發射法適用于實時動態監控檢測，且只顯示和記錄擴展的缺陷，這意味著與缺陷尺寸無關。而是顯示正在擴展的最危險缺陷。這樣，應用聲發射檢驗方法時可以對缺陷不按尺寸分類，而按其危險程度分類。按這樣分類，構件在承載時可能出現工件中應力較小的部位尺寸大的缺陷不劃為危險缺陷，而應力集中的部位按規范和標準要求允許存在的缺陷因擴展而被判為危險缺陷。聲發射法的這一特點原則上可以按新的方式確定缺陷的危險性。因此，在壓力管道、壓力容器、起重機械等產品的荷載試驗工程中，若使用聲發射檢測儀器進行實時監控檢測，既可彌補常規無損檢測方法的不足，也可提高試驗的安全性和可靠性。同時利用分析軟件可對以后的運行安全做出評估。

但由于國內具備聲發射檢測能力的檢測單位較少，受地域限制，我廠并未做過聲發射檢測。

5.小結

由于特種設備是指特種設備是指涉及生命安全、危險性較大的相關設備，所以特種設備的安全運行就必須擺在首位。想要保證球罐安全運行，就需要做到制造時嚴格監督質量、運行中實時監測狀態，做好定期檢驗（尤其是全面檢驗），發現缺陷后及時處理^[4]。本鋼燃氣廠8臺球形儲罐最早的投入使用近20年，最新投入使用也有近3年的時間，期間未曾發生過較大設備事故，正是因為做好了以上幾點。相信，若能做到把握好源頭質量關，加強日常維護保養，嚴格細化日常操作，選取正確的檢測手段并認真對待定期檢測結論，定能大大提高在用球形儲罐的安全性。