CF62鋼制壓力容器中的裂紋分析與預防措施

1、CF62鋼制壓力容器中的裂紋分析與預防措施    CF-62鋼制壓力容器中的裂紋分析與預防措施Crack Analysis Suggestions For Cracking Prevention Of Some CF-62 Steel Pressure Cessel李平瑾 李蓉蓉 陳學東 袁榕Li Pingjin Li Rongrong Chen Xuedong Yuan Rong合肥通用機械研究所Hefei General Machinery Research Institute摘要:本文通過現(xiàn)場調查,球罐組焊,在役容器檢測及失效分析,對近些年來投用的

2、國產(chǎn)CF-62鋼制作的球罐等設備上出現(xiàn)的裂紋成因進行探討,對其殘余應力水平進行闡述,對相關標準中的設計,制造,檢驗技術條件的完善化提出一些建議,為這類鋼今后的制造和長周期安全運行提供借鑒.Abstract: In this paper the causes of cracks are investigated that appear on the equipment such as localized CF-62 steel spherical tank put into service in recent years through field investigation, spherica

3、l tank assembly & welding, in-service vessel inspection and failure analysis and the level of residual stress is described. Some suggestions are proposed about perfection of design, fabrication and inspection specifications in relevant standards, which provide references for future fabrication a

4、nd long-term safe operation of this type of steel.關鍵詞:國產(chǎn)CF-62鋼制設備 應力腐蝕開裂 再熱裂紋 殘余應力.Keywords:Localized CF-62 Steel Equipment, Stress Corrosion Cracking, Reheat Cracks, Residual Stress引言隨著設備的高參數(shù)和大型化,希望開發(fā)出強度高,韌性好,加工成形和焊接性能優(yōu)良的鋼材.上世紀70年代日本等國家針對大型球罐研制出s490MPa,b610MPa的低碳微合金,低焊接裂紋敏感性的高強鋼(簡稱CF-62鋼).上世紀7080年代

5、,我國高參數(shù)的大型球罐用高強鋼全部依靠進口,例如1986年北京建造的4臺5000m3和2臺10000m3的天然氣球罐就是引進日本的CF-62鋼.上世紀80年代初期武漢鋼鐵公司組織有關單位開展s490MPa的低焊接裂紋敏感性鋼種的研制.上世紀80年代中期由合肥通用所組織有關單位進行國產(chǎn)CF鋼的工程應用研究,為我國大型球罐國產(chǎn)化提供大量的有價值的數(shù)據(jù).近十多年來,國產(chǎn)CF-62系列鋼已較廣泛地應用于502000m3的氧氣,氮氣,液化石油氣,丙烯,乙烯等球罐.其總數(shù)超過100臺,最低設計溫度達-40,其中進行焊后整體熱處理和不進行焊后整體熱處理的大約各占一半.此外,該類鋼還用于大型水電站的高壓岔管和

6、管道以及大型挖掘機等重型機械.隨著工程上的擴大應用及經(jīng)驗的積累,人們對這類鋼的認識在深化.設備安裝,制造以及使用中的問題也在暴露,目前這類鋼制設備的裂紋屢有發(fā)生.本文列舉筆者所參與或了解的石油化工和燃氣行業(yè)中的某些07MnCrMoVR和07MnNiCrMoVDR鋼制球罐檢驗及失效分析的實例與同行商榷,以求鋼材及制造工藝的完善化,最終達到設備能長周期安全運行的目的1,2,6.1. CF-62鋼制設備的應力腐蝕應力腐蝕是指金屬材料在某些介質中,由于拉應力的作用造成的一種延遲破裂.其形成必須有一定的金屬組織,應力和介質在特定條件下的聯(lián)合作用.它可能發(fā)生在母材上,也可能發(fā)生在焊縫上,但因焊接接頭粗晶粒

7、的存在以及不可避免的殘余應力影響,所以應力腐蝕開裂出現(xiàn)機率高的仍是焊接接頭及鄰近母材.調質型CF-62鋼的金相組織主要是板條狀的回火馬氏體,回火索氏體和貝氏體.其所占的比例隨板材厚度方向而異,鋼板表面的回火馬氏體和索氏體占2/3以上,因此,鋼材(特別是表層)的強度和硬度較高.對低合金鋼來說,濕H2S環(huán)境與含O2及CO2的液態(tài)氨環(huán)境會引起材料的應力腐蝕開裂.CF-62鋼的強度,硬度較高,在含有腐蝕介質的環(huán)境中,容易形成應力腐蝕開裂.例一:天津石化公司石化二廠1000m3丙烯球罐的應力腐蝕開裂3.該球罐于1995年由天津球罐聯(lián)營工程公司設計,金州石化機械廠壓片,鞍山壓力容器廠現(xiàn)場組裝,組裝后未進行

8、整體熱處理.其設計壓力2.16MPa,主體材質為07MnCrMoVR,規(guī)格12300×36mm.1996年1月投入使用,1998年5月該球罐因混裝H2S嚴重超標的粗丙烯(H2S含量達上千ppm),在很短時間內(nèi)上溫帶縱縫出現(xiàn)穿透性裂紋而泄漏,開罐檢查發(fā)現(xiàn)球罐內(nèi)壁有數(shù)百條典型的應力腐蝕裂紋.例二:寧夏化工廠甲醇水分離器的應力腐蝕開裂12.甲醇水分離器是合成氨裝置中的重要設備,其設計壓力為8.4MPa,操作壓力為7.8MPa,操作溫度為50-40.介質主要是H2,CO2,CO,CH3OH等.其結構為兩段筒節(jié)和上,下封頭組成,規(guī)格為1800×44×4300mm,材質為07

9、MnNiCrMoVDR.設備于1994年設計,1995年制造,1996年初投用.1996年10月2日該設備在正常操作運行時發(fā)生突發(fā)性爆炸起火.蘭石所對其進行了失效分析:雖然裂紋是在下筒節(jié)鼓肚區(qū)附近具有密集氣孔的長度×深度為240×30mm的陳舊斷口前沿15mm處啟裂,并沿HAZ粗晶區(qū)擴展,最終甲醇水分離器因強度不足而撕裂,泄漏并引起化學爆炸.但是在設備鼓肚前鋼材已存在嚴重的應力腐蝕損傷,檢驗表明:沿縱縫近縫區(qū)以鼓肚部位為中心的殘片斷面內(nèi)表面存在長約1m,深36mm的晶間開裂.這是因介質中的H2S含量嚴重偏離設計要求(小于50ppm),有時達到1000ppm.例三:上海寶鋼6

10、50m3無水液氨球罐的應力腐蝕裂紋15.該球罐的設計壓力:1.724Mpa,規(guī)格:10700×44mm,材質:07MnCrMoVR,工作介質為無水液氨.1998年4月投入運行.1999年3月開罐檢驗發(fā)現(xiàn):內(nèi)表面焊縫有3條裂紋,熱影響區(qū)有1條裂紋,母材有17處裂紋(分布于整個球皮);外表面焊縫有1條裂紋,熱影響區(qū)有3條裂紋,母材有2處,裂紋主要分布在球罐上半部.經(jīng)金相和材料檢驗,內(nèi)壁的裂紋具有明顯的應力腐蝕裂紋特征.例四:大慶石化公司1500m3丙烯球罐的裂紋該球罐規(guī)格為14300×44mm,材質:07MnCrMoVR,1999年4月投入使用.2001年11月進行開罐檢驗時發(fā)

11、現(xiàn):下極板有三條長3040mm,深1mm的裂紋,取樣管角焊縫內(nèi)壁有一處75×4mm的表面裂紋(初步判斷為應力腐蝕裂紋),打磨至4mm時消除.總之07MnCrMoVR系列鋼由于強度,硬度和應力水平比較高,對應力腐蝕比較敏感.因此對可能發(fā)生濕硫化氫環(huán)境與含氧及二氧化碳的無水液態(tài)氨環(huán)境,應避免采用07MnCrMoVR系列鋼.對已投用的CF-62鋼制壓力容器,只要其使用環(huán)境是液化石油氣,無水液氨,在用檢驗時,除采用正常的檢驗方法外,內(nèi)壁應采用濕熒光磁粉檢測,必要時采用適當?shù)谋砻嫱繉拥膶?nèi)壁進行防護.對已開裂的容器,一定要分析裂紋產(chǎn)生的機理,進行安全與壽命評估后,再修復使用.2. CF-62鋼

12、的焊后熱處理及再熱裂紋該類鋼的含碳量低(C0.09%),其高強度是通過鋼中加入Cr,Mo,V等碳化物形成元素的彌散強化以及添加B等淬透性強的元素來達到的.在滿足高強度的同時又涉及到兩個問題:一是焊后整體熱處理;二是再熱裂紋.2.1 焊后熱處理的最大厚度限制按我國規(guī)范,對于s490Mpa的鋼材,一般情況下焊后應進行消除應力處理(SR處理).而按日本JISB8243-1981壓力容器的構造中規(guī)定:球殼壁厚在32mm以下的焊接接頭可不進行SR處理.壁厚在3238mm,若進行95以上的預熱也可不作SR處理.日本高壓氣體安全協(xié)會1980年高強度鋼使用規(guī)范也有同樣的規(guī)定.自上世紀70年代我國引進的數(shù)十臺C

13、F-62鋼球罐(最大厚度達3638mm)均未進行焊后熱處理.對國產(chǎn)這類鋼,尤其是厚度為4446mm的乙烯,丙烯球罐等工程實施中,仍采取焊后熱處理.GB12337鋼制球形儲罐也規(guī)定:對厚度大于38mm的07MnCrMoVR系列鋼應進行焊后熱處理(565±20),但這又涉及再熱裂紋的問題.2.2 再熱裂紋CF-62鋼含Cr,Mo,V等元素,這些元素以合金碳化物的形式強化基體.但在焊接時,臨近熔合線的母材被加熱到1300左右,鋼中的合金碳化物被溶解,焊后來不及析出,而在隨后的SR處理過程中,這些合金碳化物在晶內(nèi)彌散析出,從而強化了晶內(nèi),使應力松弛時的蠕變變形集中于HAZ粗晶界.與此同時,片

14、條狀的碳化物,硼和雜質元素易偏析于晶界,在拘束力較大的場合下,加速鋼材沿晶界開裂,這就是焊后整體熱處理過程中產(chǎn)生的再熱裂紋.上世紀80年代中期,CF鋼應用研究課題協(xié)作組對鋼材再熱裂紋敏感性進行過試驗13.北京鋼研總院采用IIW(國際焊接學會)推薦的高溫緩慢拉伸法在Gleeble1500熱 照片1 A處缺陷全貌(位于下熔合線附近) 渣 3.7×照片1-1 A-3處缺陷右端(裂紋) 60×I-4 I-3 I-2 I-1照片2 I處缺陷全貌(位于下熔合線附近) 6× 照片2-1 I-1處微觀裂紋全貌 60×照片2-2 I-1處裂紋局部放大 200×照

15、片2-3 I-3處裂紋局部放大 200×出現(xiàn)如此嚴重的再熱裂紋還與標準的不完善有關聯(lián).按照GB12337的規(guī)定,球罐在熱處理后和耐壓試驗后可以不進行表面磁粉檢測(包括全部或局部),因此造成對再熱裂紋檢驗的失控,給長周期安全生產(chǎn)帶來隱患.根據(jù)目前相當多高強鋼球罐開罐的實際情況來看,放松對b540MPa材料制球罐熱處理和水壓試驗后進行磁粉檢測的要求,應該說是一種誤導.現(xiàn)場的SR處理為消除殘余應力,希望提高熱處理溫度.但CF-62鋼屬再熱裂紋敏感的鋼種,在成分和拘束狀態(tài)確定后,熱處理溫度不宜提高,這又導致殘余應力水平較高的局面.3.在制和在用球罐的殘余應力水平按07MnCrMoVR系列鋼的

16、壁厚情況,目前球罐實際安裝時采用焊后熱處理和不熱處理兩種方式.現(xiàn)場檢測與失效分析的一些數(shù)據(jù)表明:無論是否熱處理,這類球罐的殘余應力水平都比較高.如北京燕山石化公司2000m3液化石油氣球罐14,設計壓力:1.77MPa;材質:07MnCrMoVR;規(guī)格:15700×38mm;焊后進行整體熱處理.1998年投產(chǎn)運行.1999年開罐檢驗時,發(fā)現(xiàn)多處缺陷,對其進行了返修和局部熱處理.與此同時進行殘余應力測試:下極板焊縫返修前最大殘余應力達到0.90S;返修后最大殘余應力達到1.14S;熱處理后最大殘余應力達到0.90S.上極板環(huán)焊縫返修前最大殘余應力達到0.58S;返修后最大殘余應力達到0

17、.88S.福建煉化公司2000m3的G2071,G-2073丙烯球罐,當熱處理溫度為545左右時,北京工業(yè)大學對同一部位熱處理前后的殘余應力測試結果表明:該熱處理溫度對殘余應力分布狀況及數(shù)值基本無影響,仍保持較高的水平.熱處理后殘余應力在0.89S以內(nèi),水壓試驗后殘余應力在0.83S以內(nèi).天津石化公司石化二廠1000m3丙烯球罐組裝后未作整體熱處理.1998年開罐檢驗時發(fā)現(xiàn)球罐內(nèi)壁有大量的的應力腐蝕裂紋.我所在其缺陷尚未消除的情況下,對其進行殘余應力測試:上,下極板Y型接頭和T型接頭的最大殘余應力達到0.87S;上,下小環(huán)丁字型焊縫的最大殘余應力達到0.70S.對于3000m3以上的這類鋼制天

18、然氣球罐,組裝后一般不進行整體熱處理,殘余應力也基本保持在較高的水平.如上海天然氣儲配站3500m3天然氣球罐7,壁厚38mm,經(jīng)測試上極板最大殘余應力達到0.97S,下極板最大殘余應力達到0.88S.北京10000m3天然氣球罐8,9,壁厚34mm,1989年建成后進行過殘余應力測試,其最大殘余應力的平均值達到0.77S.北京四臺5000m3天然氣球罐,其最大殘余應力達到0.690.83S16目前球罐的制造安裝標準規(guī)范如GB12337,GB50094等對殘余應力水平?jīng)]有相應的數(shù)值要求.但中厚板殘余應力水平較高的部位,在使用中產(chǎn)生表面裂紋的可能性很大.4.高強鋼對射線檢測要求更高的靈敏度射線照

19、相靈敏度一般由三個因素所 裂紋 渣 裂紋照片4 缺陷3全貌(位于下熔合線附近) 7.5×照片4-1 缺陷左端局部放大 200× 照片4-2 裂紋局部放大 180×裂紋照片5 缺陷8全貌(位于焊縫金屬上) 10.5×照片5-1 裂紋局部放大 160×照片6 硬度明顯降低的近縫區(qū)的母材組織 200× 照片7 正常近縫區(qū)的母材組織 200×6. 應重視接管角焊縫的質量控制接管是壓力容器部件中最基本的結構形式之一,其接管部位因結構變化劇烈而形成高應變區(qū),并導致應力集中.同時該部位易產(chǎn)生焊接缺陷,無損檢測又不易測出,因此接管角焊縫區(qū)是

20、壓力容器制造中的薄弱環(huán)節(jié).對較大口徑的接管目前采用鍛焊結構,使角焊縫變成對接焊縫,從而減緩了應力集中,也提高了無損檢測的可靠性.但對較小口徑的接管仍以插入式為主的角焊縫連接,目前GB12337,GB50094等標準規(guī)范對其僅采用磁粉等表面檢測,很難檢測出是否全焊透,對于07MnCrMoVR系列鋼制丙烯和乙烯球罐來說,由于強度高,拘束度大,再熱裂紋敏感性高,更容易形成接管區(qū)的危險源.如大慶石化公司1500m3乙烯球罐5,10是國內(nèi)首次采用國產(chǎn)07MnNiCrMoVDR制造的低溫球罐,屬"八五"國家重大技術裝備科技攻關項目.其主要技術參數(shù)如下:設計壓力:2.254MPa;設計溫

21、度:-3050;規(guī)格:14400×44mm;該球罐于1995年投產(chǎn).1996年,1998年,2001年10月別進行了三次開罐檢驗.2001年10月乙烯球罐開車時,由于操作不當,致使球罐局部在低溫(-70-103)環(huán)境下停留達18個小時.后經(jīng)100%的內(nèi)壁熒光磁粉檢測和100%UT,發(fā)現(xiàn)48處表面裂紋,分布在DE環(huán)焊縫,E1-2拼縫,E2-3拼縫,CD環(huán)焊縫,經(jīng)打磨消除,深度<1.0mm;取樣管角焊縫部位磁粉復驗,發(fā)現(xiàn)一圈斷續(xù)表面裂紋,經(jīng)打磨消除,最大深度為3mm.其中最深一處表面裂紋打磨消除后形成50×3mm的凹坑.取樣管角焊縫部位經(jīng)超聲復驗,發(fā)現(xiàn)整圈斷續(xù)未焊透和夾渣

22、,最大長度為30mm,自身高度為8mm,主要分布在2028mm的深度范圍內(nèi).給乙烯球罐的安全運行造成威脅.在如上海金山石化公司1500m3的07MnNiCrMoVDR制乙烯球罐,其主要技術參數(shù)如下:設計壓力:2.16MPa;設計溫度:-35;規(guī)格:14200×44mm;配套鍛件采用08MnNiCrMoVD,該球罐于2002年4月投產(chǎn).2003年3月經(jīng)上海金山石化首次開罐檢驗,發(fā)現(xiàn)在球罐下極板進料管焊縫及其附近的母材上16×8cm的區(qū)域有肉眼可見的龜裂,目前正在處理之中.此外蘭州石化公司1500m3乙烯球罐11,由蘭州石化公司設計院設計,金重壓片,沈陽球罐公司安裝.其主要技術

23、參數(shù)如下:設計壓力:2.254MPa;設計溫度:-3050;規(guī)格:14400×44mm;材質:07MnNiCrMoVDR;該球罐在做耐壓試驗時,接管角焊縫部位泄漏,后經(jīng)徹底返修重焊才投運.因此,接管角焊縫部位的質量保證也是關系到07MnCrMoVR球罐安全的不可忽視的環(huán)節(jié).7.幾點建議合肥通用機械研究所近幾年在07MnCrMoVR和07MnNiCrMoVDR系列鋼制球罐開裂的檢驗和調研基礎上,分析了球罐開裂的主要原因.為今后球罐的設計,制造,安裝,檢驗和使用中能更科學地使用國產(chǎn)CF-62鋼,保證設備和裝置安全長周期運行,特提出以下建議: 建議有關機構組織07MnCrMoVR系列鋼的研

24、制和生產(chǎn)單位,結合工程出現(xiàn)的問題以及新的工程建設項目開展07MnCrMoVR鋼的深入研究.以往的攻關多圍繞如何保證焊接接頭的低溫沖擊性能,今后應更深入的探討再熱裂紋的產(chǎn)生與防治及多次返修,熱處理對焊接接頭使用性能的影響等,使之更加完善. 建議GB12337-98鋼制球形儲罐,對于b540MPa且對再熱裂紋敏感的鋼種,在SR后應進行一定數(shù)量的射線或超聲復驗.同時增加熱處理和水壓試驗后進行比例不少于20%的磁粉檢測的規(guī)定. 建議JB4730壓力容器無損檢測提高對高強鋼球罐焊接接頭射線檢測靈敏度的要求.目前該標準的修訂稿JB4730鍋爐,壓力容器及壓力管道無損檢測已采納此建議,明確規(guī)定:"

25、對于鍋爐,壓力容器及壓力管道焊縫應盡量采用X射線進行透照檢測,確因厚度,幾何尺寸所限或工作場地所限無法采用X射線源時,也可采用源進行射線透照.此時應盡可能采用高分辨率的膠片,但對于b540MPa的高強鋼焊縫,則必須采用高分辨率的膠片. 由于目前球罐的制造安裝標準規(guī)范如GB12337,GB50094等對殘余應力水平?jīng)]有相應的數(shù)值規(guī)定,國內(nèi)也沒有殘余應力對球罐延遲開裂和應力腐蝕開裂影響的經(jīng)驗數(shù)據(jù),因此應引起相關部門的關注,組織開展此項專題研究. 微量Ni,B等對07MnCrMoVR系列鋼的應力腐蝕和再熱裂紋有明顯影響.如北京兩臺10000m3天然氣球罐,使用工況基本相同.1#天然氣球罐所用鋼板Ni含量為0.03%.焊條Ni含量為1.55%.開罐檢驗發(fā)現(xiàn)有85處應力腐蝕裂紋.2#天然氣球罐開罐檢驗未發(fā)現(xiàn)裂紋,其所用鋼板和焊條不含Ni.因此作為一個成熟的鋼種,應在標準規(guī)范中對Ni,B等的數(shù)量和相應的處理措施予以體現(xiàn).隨意在供貨或冶煉中改變微量元素的組成和數(shù)量,對于這類鋼的推廣應用和市場競爭是不利的. 在擴大國產(chǎn)07MnCrMoVR系列鋼板的生產(chǎn)能力(包括數(shù)量和板寬幅度大小)的同時,保證批量生產(chǎn)材料性能的穩(wěn)定性以及定點生產(chǎn)該系列鋼板的配套鍛件08MnNiCrMoVDR和焊材(新J607CF鋼焊條),對于保證這類鋼的規(guī)范化和安全使用也是至關重要的. 由于目前國產(chǎn)07MnCrM