球罐安全性分析：承压类特种设备质控

球罐开罐检验分析及球罐的安全质量控制

王景人

陕西省锅炉压力容器检验所

1　前　言

在相同容积下，球罐与其它形状的压力容器相比，具有几何尺寸小、材料用量少、受力状态好等优点，因而在工业中得到广泛使用。由于球罐成型和组装难度大，残余应力高、介质环境苛刻等特点，质量难以保证。因此，在球罐制造、安装和使用方面，如何确保安全成为一个重要的问题。本文以某厂600m³液氨球形储罐为例，根据我所多年来的检验实践和参阅有关资料，论述球形储罐的质量控制的问题，提出预防主要危害缺陷的方法。

2　某厂600m³液氨球罐概况

该球罐为原石化部北京设计院1965年7月设计，主要参数为：内径10 500mm，厚度18∕20mm，材质20g，球片为热轧钢板，焊缝坡口形式为对称X，双面手工焊，焊缝系数0.85，设计压力0.442MPa，最高工作压力0.35MPa。1968年组装竣工，1970年投入使用，并于1978年和1983年进行开罐检修。经合肥通用机械研究所进行CVA评定，并对超标缺陷进行了返修。

我所于1990年、1996年受厂方委托对该球罐进行了两次内外部全面检验。两次检验采用了相同的检验方案，主要项目包括外观检查（包括球体内、外表面腐蚀和机械损伤情况，几何形状缺陷，焊缝的错边量及棱角度的检查），无损检测（包括超声波100％探伤，射线拍片20％，内、外表面100％磁粉探伤，水压试验后内边面100％磁粉探伤）和水压试验。这样既确保对原有缺陷情况的监控，也保证了对运行中新生缺陷检查。

在外观检查时发现该球罐的大部分焊缝的错边量和棱角度超标，尤其是下极板整个大环缝棱角严重超标，最大处内棱角达37mm，最小处内棱角24mm。

在两次无损检测中我们发现了未焊透、夹渣、气孔等大量原始缺陷。1990年发现了内、外表面裂纹和焊缝内部裂纹51条，并且都做了打磨或返修处理；1996年检验时又发现了裂纹38条（见表1）。

表1　检验中有关数据统计

由表1可以看出，这两次所检验出的裂纹缺陷，多数为表面裂纹，且大部分为内表面裂纹。裂纹缺陷产生的区域，主要集中在那些错边量和棱角度超标的部位。

3　缺陷产生原因及危害性分析

3.1　制造过程中产生的缺陷

未焊透、夹渣、气孔等缺陷均属于焊接缺陷，为制造时产生的。国内大量检验资料表明：气孔夹渣一般没有扩展迹象，危害性不大，可不返修。层间未熔合，未焊透不与介质接触，只要在运行当中没有明显变化也可不返修。

3.2　使用过程中产生的缺陷(www.xing528.com)

裂纹为在新的运行周期中产生的缺陷，也是影响球罐安全的主要危害性缺陷。从裂纹的分布情况上看，球罐内面裂纹多，外表面裂纹少；焊接接头上多，母材上裂纹少；表面裂纹多，埋藏裂纹少。这些现象的产生是由于应力腐蚀和在用脆性裂纹。球罐运行中同时存在着应力集中和腐蚀。球罐中存着液氨等，其分子中含有氢原子，可以渗透到球罐内表面，构成脆化层，塑性很低，在脉动载荷下会产生应变开裂，产生在用脆性裂纹。

另外，焊接接头的组织不均匀，晶粒比较粗大，偏析严重，柱状晶粒具有方向性，组织比轧制母材疏松，表面粗糙，熔合区硬度高，错边量和棱角度过大产生的附加弯曲应力及焊接残余应力，在用脆性裂纹在焊接接头区发生的比较多，而内表面与介质接触，所以多发生在内表面。

4　球罐质量控制

球罐质量的控制内容应包括质量的参量与产生脆性破坏两方面，即分为投产前（制造）和投产后（运行）两个阶段。

4.1　投产前的质量控制

主要是严格控制制造工艺，尽量提高工艺试验可靠性，组焊工艺合理性及措施的科学性，焊接接头质量得到尽可能大的保障，控制球体的几何尺寸，降低错边量和棱角度，减少未焊透、夹渣、气孔等工艺性缺陷，尤其是冷裂纹和延迟裂纹危害极大，在水压试验后如发现裂纹，应进行修复。

4.2　投产后的质量控制

主要是严格控制应力腐蚀和在用脆性裂纹，主要措施：①降低球罐的结构应力。当不能进行整体热处理时，也应采取局部热处理，消除残余应力，这也是解决在用脆性裂纹的一个有效方法；②焊缝区域喷涂防腐剂，可以有效控制脆化层的产生；③定期对球罐进行开罐检验。新球罐在使用一年后，应开罐做第一次检查，以便对设计、制造和防腐以及球罐的实用性、可靠性进行确认。在完成第一次检查后，每三年进行一次开罐检查，对原有的缺陷在运行中是否有扩展变化和表面焊接进行检查，存在补焊及处理缺陷时，使用一年后开罐检查返修效果，以便对返修工艺做出正确评定；④严格控制开罐检验中水压试验压力，试验压力一定要根据实际操作压力来考虑，由于运行中的球罐存在脆化层，过高地追求水压试验的压力会使球罐试压产生应变开裂，对此不可大意。水压试验压力由以下计算确定：

式中：P_T为试验压力，MPa；P₁为球罐实际操作压力，MPa；［σ］为球壳材料在试验温度下的许用应力，MPa；［σ］^t为球壳材料在设计温度下的许用应力，MPa。

5　结束语

球罐安全质量控制问题，不仅仅是制造时的问题，而且它贯穿安装和运行中许多方面的因素。从安全角度来看，投产后的球罐质量控制，责任更重，控制难度也大，在实际工作中应根据球罐制造水平、不同安全状况等级、不同工况，从实际出发，全面分析安全质量控制因素，完善管理措施，以保证达到所要求的安全质量控制水平。

参考文献

［1］劳动部锅炉安全监察处.球形储罐诊断与修复技术［M］.北京：劳动人事出版社，1987

［2］国家技术监督局，中华人民共和国建设部.GB50094－98球形储罐施工及验收规范.北京：中国计划出版社，1998

（注：该论文发表于《应用化工》2002年第5期）