CF-62钢制压力容器中的裂纹分析与预防措施

CF-62钢制压力容器中的裂纹分析与预防措施李平瑾李蓉蓉陈学东袁榕合肥通用机械研究所引言随着设备的高参数和大型化，希望开发出强度高、韧性好、加工成形和焊接性能优良的钢材。上世纪70年代日本等国家针对大型球罐研制出σs≥490MPa、σb≥610MPa的低碳微合金、低焊接裂纹敏感性的高强钢（简称CF-62钢）。上世纪70～80年代，我国高参数的大型球罐用高强钢全部依靠进口，例如1986年北京建造的4台5000m3和2台10000m3的天然气球罐就是引进日本的CF-62钢。上世纪80年代初期武汉钢铁公司组织有关单位开展σs≥490MPa的低焊接裂纹敏感性钢种的研制。上世纪80年代中期由合肥通用所组织有关单位进行国产CF钢的工程应用研究，为我国大型球罐国产化提供大量的有价值的数据。近十多年来，国产CF-62系列钢已较广泛地应用于50～2000m3的氧气、氮气、液化石油气、丙烯、乙烯等球罐。其总数超过100台，最低设计温度达-40℃，其中进行焊后整体热处理和不进行焊后整体热处理的大约各占一半。此外，该类钢还用于大型水电站的高压岔管和管道以及大型挖掘机等重型机械。随着工程上的扩大应用及经验的积累，人们对这类钢的认识在深化。设备安装、制造以及使用中的问题也在暴露，目前这类钢制设备的裂纹屡有发生。本文列举笔者所参与或了解的石油化工和燃气行业中的某些07MnCrMoVR和07MnNiCrMoVDR钢制球罐检验及失效分析的实例与同行商榷，以求钢材及制造工艺的完善化，最终达到设备能长周期安全运行的目的。1.CF-62钢制设备的应力腐蚀应力腐蚀是指金属材料在某些介质中，由于拉应力的作用造成的一种延迟破裂。其形成必须有一定的金属组织、应力和介质在特定条件下的联合作用。它可能发生在母材上，也可能发生在焊缝上，但因焊接接头粗晶粒的存在以及不可避免的残余应力影响，所以应力腐蚀开裂出现机率高的仍是焊接接头及邻近母材。调质型CF-62钢的金相组织主要是板条状的回火马氏体、回火索氏体和贝氏体。其所占的比例随板材厚度方向而异，钢板表面的回火马氏体和索氏体占2/3以上，因此，钢材（特别是表层）的强度和硬度较高。对低合金钢来说，湿H2S环境与含O2及CO2的液态氨环境会引起材料的应力腐蚀开裂。CF-62钢的强度、硬度较高，在含有腐蚀介质的环境中，容易形成应力腐蚀开裂。例一：天津石化公司石化二厂1000m3丙烯球罐的应力腐蚀开裂。该球罐于1995年由天津球罐联营工程公司设计、金州石化机械厂压片、鞍山压力容器厂现场组装，组装后未进行整体热处理。其设计压力2.16MPa、主体材质为07MnCrMoVR、规格φ12300×36mm。1996年1月投入使用，1998年5月该球罐因混装H2S严重超标的粗丙烯（H2S含量达上千ppm），在很短时间内上温带纵缝出现穿透性裂纹而泄漏，开罐检查发现球罐内壁有数百条典型的应力腐蚀裂纹。例二：宁夏化工厂甲醇水分离器的应力腐蚀开裂。甲醇水分离器是合成氨装置中的重要设备，其设计压力为8.4MPa、操作压力为7.8MPa，操作温度为50～-40℃。介质主要是H2、CO2、CO、CH3OH等。其结构为两段筒节和上、下封头组成，规格为φ1800×44×4300mm，材质为07MnNiCrMoVDR。设备于1994年设计，1995年制造，1996年初投用。1996年10月2日该设备在正常操作运行时发生突发性爆炸起火。兰石所对其进行了失效分析：虽然裂纹是在下筒节鼓肚区附近具有密集气孔的长度×深度为240×30mm的陈旧断口前沿15mm处启裂，并沿HAZ粗晶区扩展，最终甲醇水分离器因强度不足而撕裂、泄漏并引起化学爆炸。但是在设备鼓肚前钢材已存在严重的应力腐蚀损伤，检验表明：沿纵缝近缝区以鼓肚部位为中心的残片断面内表面存在长约1m、深3～6mm的晶间开裂。这是因介质中的H2S含量严重偏离设计要求（小于50ppm），有时达到1000ppm。例三：上海宝钢650m3无水液氨球罐的应力腐蚀裂纹。该球罐的设计压力：1.724Mpa，规格：φ10700×44mm，材质：07MnCrMoVR，工作介质为无水液氨。1998年4月投入运行。1999年3月开罐检验发现：内表面焊缝有3条裂纹，热影响区有1条裂纹，母材有17处裂纹（分布于整个球皮）；外表面焊缝有1条裂纹，热影响区有3条裂纹，母材有2处，裂纹主要分布在球罐上半部。经金相和材料检验，内壁的裂纹具有明显的应力腐蚀裂纹特征。例四：大庆石化公司1500m3丙烯球罐的裂纹该球罐规格为φ14300×44mm，材质：07MnCrMoVR，1999年4月投入使用。2001年11月进行开罐检验时发现：下极板有三条长30～40mm、深1mm的裂纹，取样管角焊缝内壁有一处75×4mm的表面裂纹（初步判断为应力腐蚀裂纹），打磨至4mm时消除。总之07MnCrMoVR系列钢由于强度、硬度和应力水平比较高，对应力腐蚀比较敏感。因此对可能发生湿硫化氢环境与含氧及二氧化碳的无水液态氨环境，应避免采用07MnCrMoVR系列钢。对已投用的CF-62钢制压力容器，只要其使用环境是液化石油气、无水液氨，在用检验时，除采用正常的检验方法外，内壁应采用湿荧光磁粉检测，必要时采用适当的表面涂层的对内壁进行防护。对已开裂的容器，一定要分析裂纹产生的机理，进行安全与寿命评估后，再修复使用。2.CF-62钢的焊后热处理及再热裂纹该类钢的含碳量低（C≤0.09%），其高强度是通过钢中加入Cr、Mo、V等碳化物形成元素的弥散强化以及添加B等淬透性强的元素来达到的。在满足高强度的同时又涉及到两个问题：一是焊后整体热处理；二是再热裂纹。2.1焊后热处理的最大厚度限制按我国规范，对于σs≥490Mpa的钢材，一般情况下焊后应进行消除应力处理（SR处理）。而按日本JISB8243-1981《压力容器的构造》中规定：球壳壁厚在32mm以下的焊接接头可不进行SR处理。壁厚在32～38mm，若进行95℃以上的预热也可不作SR处理。日本高压气体安全协会1980年《高强度钢使用规范》也有同样的规定。自上世纪70年代我国引进的数十台CF-62钢球罐（最大厚度达36～38mm）均未进行焊后热处理。对国产这类钢，尤其是厚度为44～46mm的乙烯、丙烯球罐等工程实施中，仍采取焊后热处理。GB12337《钢制球形储罐》也规定：对厚度大于38mm的07MnCrMoVR系列钢应进行焊后热处理（565±20℃），但这又涉及再热裂纹的问题。2.2再热裂纹CF-62钢含Cr、Mo、V等元素，这些元素以合金碳化物的形式强化基体。但在焊接时，临近熔合线的母材被加热到1300℃左右，钢中的合金碳化物被溶解，焊后来不及析出，而在随后的SR处理过程中，这些合金碳化物在晶内弥散析出，从而强化了晶内，使应力松弛时的蠕变变形集中于HAZ粗晶界。与此同时，片条状的碳化物、硼和杂质元素易偏析于晶界，在拘束力较大的场合下，加速钢材沿晶界开裂，这就是焊后整体热处理过程中产生的再热裂纹。上世纪80年代中期，CF钢应用研究课题协作组对钢材再热裂纹敏感性进行过试验。北京钢研总院采用IIW（国际焊接学会）推荐的高温缓慢拉伸法在Gleeble—1500热模拟试验机上，将试样加热到1300℃左右（模拟HAZ粗晶区），然后再经SR处理（试验时采取580℃、600℃、620℃），同时缓慢加载拉伸至断裂，最后测定断面收缩率（Ψ），按A.G.Vinckier的评定标准进行评定。结果表明：国产CF-62钢的再热裂纹敏感性介于“非常敏感”和“敏感”之间。西安交大用插销法进行应力松弛试验，通过测定HAZ粗晶区再热裂纹敏感温度以及实际SR温度下的临界应力评定钢材的再热裂纹敏感性。经测定国产CF-62钢的敏感温度为650℃（日本钢材则为630℃），在敏感温度下的临界应力仅为13.8kgf/mm2，结果表明：该类钢属于对再热裂纹敏感的钢种。上述两种试验均证实：该钢对再热裂纹敏感，若将SR处理温度降低至580℃，则其面缩率和临界断裂应力均大大提高，从而不会产生再热裂纹。一些工程建设就是按这种推荐方法实施SR处理的，但有的球罐按此推荐仍未能避免再热裂纹，实例如下：福建炼化公司G-2071、G-2073两台2000m3丙烯球罐[4]由合肥通用机械研究所1999年2月设计，武钢提供板材，广重压力容器公司压片，中石化第十建设公司现场安装，合肥通力工程建设监理有限公司现场监理。设计压力：2.16MPa；设计温度：－20～50℃；材质：07MnCrMoVR；规格：ф15700×46mm；2000年1月投产运行。2001年2月开罐检验发现在球罐内、外壁分布200多条表面裂纹，以赤道带环缝居多。大环缝缺陷返修后，对赤道带环缝进行整体热处理。现场经多次焊接修复和几次热处理均不同程度发现了多条在HAZ粗晶区呈沿晶开裂的裂纹（见照片1~2）。最大裂纹长度达到2m，最大深度为20mm。照片1为A处的沿下熔合线的裂纹全貌，照片1-1为该裂纹A-3处的局部放大。照片2为I处的裂纹全貌，照片2-1、2-2和2-3为该裂纹的放大。从局部放大的金相照片可看出：这些均属典型的再热裂纹。照片1-1A-3处缺陷右端（裂纹）60×照片2-1I-1处微观裂纹全貌60×照片2-2I-1处裂纹局部放大200×照片2-3I-3处裂纹局部放大200×出现如此严重的再热裂纹还与标准的不完善有关联。按照GB12337的规定，球罐在热处理后和耐压试验后可以不进行表面磁粉检测（包括全部或局部），因此造成对再热裂纹检验的失控，给长周期安全生产带来隐患。根据目前相当多高强钢球罐开罐的实际情况来看，放松对σb≥540MPa材料制球罐热处理和水压试验后进行磁粉检测的要求，应该说是一种误导。现场的SR处理为消除残余应力，希望提高热处理温度。但CF-62钢属再热裂纹敏感的钢种，在成分和拘束状态确定后，热处理温度不宜提高，这又导致残余应力水平较高的局面。3.在制和在用球罐的残余应力水平按07MnCrMoVR系列钢的壁厚情况，目前球罐实际安装时采用焊后热处理和不热处理两种方式。现场检测与失效分析的一些数据表明：无论是否热处理，这类球罐的残余应力水平都比较高。如北京燕山石化公司2000m3液化石油气球罐，设计压力：1.77MPa；材质：07MnCrMoVR；规格：ф15700×38mm；焊后进行整体热处理。1998年投产运行。1999年开罐检验时，发现多处缺陷，对其进行了返修和局部热处理。与此同时进行残余应力测试：下极板焊缝返修前最大残余应力达到0.90σS；返修后最大残余应力达到1.14σS；热处理后最大残余应力达到0.90σS。上极板环焊缝返修前最大残余应力达到0.58σS；返修后最大残余应力达到0.88σS。福建炼化公司2000m3的G2071、G-2073丙烯球罐，当热处理温度为545℃左右时，北京工业大学对同一部位热处理前后的残余应力测试结果表明：该热处理温度对残余应力分布状况及数值基本无影响，仍保持较高的水平。热处理后残余应力在0.89σS以内，水压试验后残余应力在0.83σS以内。天津石化公司石化二厂1000m3丙烯球罐组装后未作整体热处理。1998年开罐检验时发现球罐内壁有大量的的应力腐蚀裂纹。我所在其缺陷尚未消除的情况下，对其进行残余应力测试：上、下极板Y型接头和T型接头的最大残余应力达到0.87σS；上、下小环丁字型焊缝的最大残余应力达到0.70σS。对于3000m3以上的这类钢制天然气球罐，组装后一般不进行整体热处理，残余应力也基本保持在较高的水平。如上海天然气储配站3500m3天然气球罐，壁厚38mm，经测试上极板最大残余应力达到0.97σS，下极板最大残余应力达到0.88σS。北京10000m3天然气球罐，壁厚34mm，1989年建成后进行过残余应力测试，其最大残余应力的平均值达到0.77σS。北京四台5000m3天然气球罐，其最大残余应力达到0.69～0.83σS目前球罐的制造安装标准规范如GB12337、GB50094等对残余应力水平没有相应的数值要求。但中厚板残余应力水平较高的部位，在使用中