在用钢制球形液态烃储罐开裂原因分析及修复.pdf

第 3 8 卷第 5 期 2 0 0 9年 9月 石油化工设备 p etro chemi cai equi p m ent vo 1 3 8 no 5 se p t 20 09 文章 编 号 ：1 0 0 0 7 4 6 6 ( 2 0 0 9 ) 0 5 0 1 0 0 0 4 在用钢 制球 形 液态烃储 开裂原 因分 析及修 复 蒋跃 宁 ( 兰州交通 大学 ，甘肃兰州 7 3 0 0 7 0 ) 罐 摘 要 ：液 态烃球罐 受到 介 质 中水和硫 化 氢作 用极 易发 生腐蚀 开裂 ， 导致 火 灾、 爆 炸 等事 故 。在 对 几 起 液 态烃球罐 开裂原 因分析 的基 础上 ， 提 出 了内壁表 面喷砂 处理 、 控 制 焊接 和 热处理 工 艺的修 复 方 法 ， 同时提 出了修 复质 量的检 验 方法和 指标 。 关键 词 ：球罐；返修；湿硫化氢开裂；质量控制 中图分 类号 ：t q o 5 1 5 0 1 文献标 志码 ：b cr a c k i ng a n d re p a i r o f i n 。 u s e st e e l sp h e r i c a l ta n k s f o r li q u i d hy d r o c a r b o n j i ang ya o - n i n g ( i a n z h o u j i a o t o n g un i v e r s i t y，i a n z h o u 7 3 0 0 7 0ch i n a ) ab s t r a c t ：s p h e r i c a l t a n k s f o r f i l l i n g l i q u i d h y d r o c a r b o n we r e p r o n e t o c o r r o s i o n c r a c k u n d e r t h e c o nd i t i o n o f wa t e r a nd s ul f ur e t e d h yd r o ge n， whi c h br o ugh t o n t he f i r e a c c i d e nt ， b l a s t a nd br e a k i ng o u t a c c i de n t spr a y i n g s a nd， c o nt r o l l i n g t he we l di n g t e c hni qu e a nd h e a t t r e a t me nt we r e b r ou gh t f or wa r d f or r e p a i r i n g t he s ph e r i c a l t a n ks on t he ba s e o f a n a l y z i ng t he r e a s o n f o r c r a c ki ng o f s phe r i c a l t a n k s f o r f i l l i n g l i q u i d h y d r o c a r b o n a f e w t i me s qu a l i t y t e s t ： i n g t e c h n i q u e a n d g u i d e l i n e we r e pu t f o r wa r d k e y wor ds： s t e e l s phe r i c a l t a n k； r e pa i r； sscc ； q ua l i t y c o nt r ol 随着原 油 品质 的 恶化 ， 炼 油 厂 原 料 油 中 的含 硫 量 越来 越高 ， 某些 液 态烃脱 水 和脱硫处 理 不严格 ， 也 使 液 态烃 中硫化 氢 量 非 常高 ， 对 球 罐 的腐 蚀 日益严 重 。液态烃 球罐 的设 计 压 力 通 常小 于 2 4 mp a ， 设 计 温度 0 6 o ， 根 据球 罐 的大小 、 设 计 压力 和材 质 的不 同 ， 球 壳板 的壁 厚 为 2 6 4 6 mm。近年 来 发 生 了多起 液 态 烃 球 罐 开裂 事 件 ， 有 些 球 罐 修 复后 第 2 年 检 验 时 又 发 现 开 裂 ， 这 些 球 罐 材 质 通 常 为 1 6 mn r。随着 球罐 的大 型化 ， 在 1 0 0 0 m。以上 的丙 烯 、 液 化 石 油 气 ( i p g)等 球 罐 上 使 用 了 c f 6 2 ( 0 7 mn c r mo vr ) 、 nk hi t e n6 1 0 u2 中 高强 钢 口 。如何 防止 这类球 罐 开裂 和开 裂 球罐 的修 复 直接关 系 到人身 及设 备安 全 。笔者 在对几 起液 态 烃 球罐 开裂 原 因分析 的基 础上 “ j ， 提 出了开 裂 修 复 方法 以及 修 复质量 的 检验方 法 和指标 。 1 球罐 开裂情 况 近 2 o a来 国 内 发 生 了 多起 液态 烃 球 罐 开 裂 实 例 ， 腐 蚀开 裂 已成 为各 个 高 硫 油 田和 炼 油 厂液 态 烃 球 罐普 遍存 在 的 问题 。如某公 司 由于 原油 含硫量 高 使 后 序工 艺 中 h。 s量 超标 1 2 d ， 致 使 一 球 罐 泄 漏 。 某炼油厂 l p g储罐 以前使用多年未出现问题 ， 而近 几 年全部 开 裂 ， 有些 球 罐 经 修 复 后 第 2年 检 验 时 又 发 现开 裂 。这 些 开 裂 球 罐 涉 及 的 材 料 有 1 6 mn r、 1 6 mn 、 1 5 mn vr、 q2 3 5 、 日本 s m5 3 b 、 德 国 f g4 3和 c f 6 2等 中低 强 度钢 。 收 稿 日期 ：2 0 0 9 0 3 2 8 作者简介 ：蒋跃 宁( 1 9 6 7 一 ) ， 男 ， 甘肃临洮人 ， 讲师 ， 学 士 ， 从事教学及管理工作 。 第 5期 蒋跃宁 ： 在用钢制球形液态烃储罐开裂原因分析及修 复 某炼油厂液 化石油气球罐区投入使 用2 a 后 。 其 中 1台球 罐 突然发生 泄漏 ， 现场 查勘发 现 ， 该 球罐 上极 板 与北温 带环焊缝 融合 线 一侧 有 1条 总 长为 1 0 8 0 mm 的 裂纹 ， 裂 纹 最 宽处 为 5 mm 其 中一 端 延 伸为母 材撕裂 。在南 温带 板纵焊 缝及环 焊缝 处也 发 现 了多 处未穿 透性 裂 纹 。 为此 ， 对 罐 区其 他 球罐 进 行 了第 一次全 面检 验 ， 结 果 在所 有 球 罐 内壁 均 发 现 大量裂 纹 。打 磨消 除 这些 裂 纹 后 ， 对较 深 的裂 纹进 行 了补 焊 ， 随后 投入 使 用 。 l a后 开罐 检 验 ， 从 罐 内 清理 出大量 的沉积物 ， 并发 现罐 内壁 现 大量 裂纹 特别是 补焊部 位 裂纹 较 密 集 ， 球 罐 内壁 还 发现 大 量 的氢鼓 包 。对 沉积 物 进行 能谱 分 析 ， 其 中含 有 质 量 分数超过 3 o 的 f e s， 部分样品中 s质量分数超过 7 0 ， 并 含有 s 。继 续 使 用 l a后又 对 这些 球 罐 进 行 了全面检验 ， 发 现罐 内仍 有 大量 的较 为疏 松 的 附 着物 ， 附着物遍 布 整个罐 体 内表 面 ， 特 别是罐 底部 位 附着物 较厚 ， 最厚 处达 8 0 mm。附 着物 下 金属 被 强 烈腐蚀 密集 蚀坑 ， 宏 观 形貌 呈 典 型 的垢 下 腐 蚀 。同 样 ， 球 罐 内壁 仍 现 了大 量 的裂纹 ， 现 场将 裂纹 打磨 消除后 继续投 入使 用 。1 a后再 次 对 球 罐进 行 全 面 检验 ， 结果 与上次 相 同 ， 此 次将 裂 纹 打磨 消 除 后 ， 对 打磨深 度超过 5 mm 部 位 进 行 了补 焊 ， 补 焊 后 未 进 行热处 理 ， 重新 投用 l a 后 检 验仍 发现 存 在裂 纹 ， 大 部分裂 纹 出现在返 修 焊缝 的两 端 、 局 部 补焊 处和 打 磨坑底部 ， 对球壳板进行超声波检测 ， 发现氢鼓包严 重 的部 位存 在分层 现象 ， 说明在 球罐使 用过 程 中 ， 腐 蚀 已造 成罐体 材料 中含 有较高质 量分数 的 氢 。补 焊 时氢 向焊缝处 迁移 ， 使 焊 缝 和近 缝 区 易产 生 延 迟 裂 纹或硬 度升 高 。 极 大缩 短 了 其发 生 应 力腐 蚀 开 裂 的 诱导期 。打磨 凹坑 底部 现裂纹 是 由于打磨 造成 材 料表 面硬化 、 过热 和应力 集 中， u 坑 内易截 留和浓 缩 腐 蚀介 质等原 因造成 的 。 通 过对焊 缝热影 响 区开裂部 位进行 金相 分析 和 断 口分析 ， 发现 焊缝 过 热 区 和熔 合 区存 在 回火板 条 状 马 氏体 ， 且这 部 位 的硬 度值 超 过 2 5 0 hb。对 球 罐 内的 腐 蚀 产 物 进 行 分 析 ， 发 现 有 质 量 分 数 超 过 9 的 f e s x ， 硫 元素 质量 分 数超 过 2 0 。经 现场 金 相 检查 ， 罐体表 面形 貌符 合 湿 硫 化 氢应 力 腐蚀 开 裂 特征， 见图 1 。截取开裂部位进行金相 和断 口分析 ， 结果母材为珠光体+铁素体， 焊缝 为沿晶界铁素体 +针状铁素体+少量珠光体 ， 热影响区存在有少量 马氏体组织 ， 见 图 2 。母 材 分 层是 母 材 中产 生 了氢 诱 导开裂 ( hi c) 的结 果 。此 外 ， 生 产 液 态 烃 的异 构 化装 置 中的吸 收 、 稳定 系统 的稳 定塔 顶 回流罐 、 平 衡 蒸 发罐 等设 备也发 生 了严重 的氢 鼓 包 、 开裂 和 氢诱 导 开裂 。 图 l 裂 纹 部 位 表 面 现 场 金 相组 织 ( 2 0 0) 图 2 热 影 响 区 回 火板 条 马 氏体 ( 5 0 0) 2 修复 2 1 全面检 验 按 t s g r 7 0 0 1 -2 o 0 4 压 力 容 器 定 期 检 验 规 则 对球 罐进 行全 面检验 _ 8 j ， 内表 面无损 检测 是检 测 重点 。应采 用湿荧 光磁 粉对 球 罐 内表 面进 行 1 0 0 检 测 ， 这 是发 现 内表 面湿 硫 化氢 应 力 腐蚀 裂 纹 最有 效 的检 验方 法 。为 提 高检 测 灵 敏度 ， 必 须 使 用旋 转 磁场 探伤 机 ， 灵敏 度用 a 型 3 0 u试 片确 定 。对 于 宏 观检 查发 现有氢 鼓包 的部位 ， 应 采用 5 n1 4 z直探 头 进行 内外表 面 的超 声 波全 面 扫 描 ， 确定 母 材是 否 存 在分层 和 分层 的角度 。 超声 波检 测 的重点是 制造 和历年 检验发 现埋藏 缺 陷 的部位 ， 必 要 时辅助射 线检 测验证 ， 检测 缺陷是 否 有扩 展趋 势 以 及 是 否 应 进 行 返 修 。对 于埋 藏 缺 陷， 考虑到返修质量控制较难 ， 故应先对超标缺陷进 行 安全分 析 ， 对 几次 检验都 没有扩 展 的缺陷 ， 应尽可 石油化工设备 2 0 0 9年第 3 8卷 能 不进行 修复 。 硬度 和金 相检 查是 判断 球罐焊 接 和热处 理 质量 的关键 ， 应对 每条 焊缝进 行 不小 于 3 点 的硬 度检 查 ， 对 硬度值 大 于 2 2 0 hb的部 位 做 出详 细记 录 。对 于 开 裂部位 和 硬度 大 于 2 5 0 hb的 部位 须 进 行 现 场 金 相 或覆膜 金 相检 查 ， 以确 认 其热 处理 质 量 。测 定 硬 度后 ， 须 打磨 消 除硬度 测点 冲击 痕 ， 以免该 部位 诱发 应力腐 蚀 。 2 2 缺陷消 除和 补焊 对 于 受 到硫 化 物 污染 的球罐 ， 在宏 观 检 查 完成 后 ， 首 先进 行 内壁 全 面喷砂 处理 ， 磨料 应具 有一 定 的 硬度和冲击韧性 ， 使用前需筛选 ， 不得含有油污。天 然砂 应选 用质 坚有 棱 的金 刚砂 、 石英 砂 或 硅 质 河 砂 等 ， 其 含水 量不 应大 于 1 。严 禁 使用 海 砂 和 河砂 。 表 面处理 要求 达到 s a 2 5级 或 s a 3级 _ l ， 以彻 底 消 除 金属表 面产 生 的硫化 物腐蚀 产物 。 喷砂 处理 后进 行缺 陷消 除 。对 在 检验过 程 中发 现 的裂 纹 ( 包 括开 裂 的氢鼓包 ) 和超标 的埋 藏缺 陷应 打磨消除， 若 裂纹较深较长 ， 可 以使用碳 弧气刨消 除 ， 并经 渗透 检 测确 认 。裂纹 消 除 后 产 生 的 凹坑 可 按 文献 8 评 定 是 否需 要 补 焊 修 复 。对 不 需要 补 焊 的 凹坑 ， 应 加 大 圆滑 过 渡 的 半 径 ， 且 打 磨 时 用 力 要 小 ， 不得 出现局 部过 热现 象 ， 避 免金 属表 面发 红产 生 硬化层 ， 最 后 修 磨 的深 度应 大 于 1 mm。对 需 要 补 焊 的凹坑 ， 应将 凹坑 加工 成返 修坡 口 ， 经渗 透检测 无 裂纹 后进 行焊 接 ， 最 后采 用 角 磨 机 将 焊 接部 位 及 周 边 2 5 mm 范 围 内打 磨 直 至 露 出 金 属 光泽 。焊 接 前 应进 行焊 接_t艺评 定 ， 焊 接 方 法 宜 采 用手 工 钨 极 氩 弧焊 或焊 条 电弧焊 ， 焊 后按 j b t 4 7 3 0 2 0 0 5 承压 设备 无损 检测 进 行无损 检 测 ， 磁 粉检 测 和超声 波检 测均 工级 合格 e l 1 。 对 于分层 角度 大 于 1 o 。 的球 壳 板 应 进行 挖 补 或 更换 。 对硫化物应力腐蚀开裂设备进行返修， 焊前消 氢 预处 理是 非常 必要 的 。返修 部位较 少 时可 以采用 局 部加 热 的方法 进 行 消 氢 ， 即 采 用 电加 热 方 式 将 焊 接 部位 及周 边 2 0 0 mm 处 加 热 至 3 5 0并 保 温 3 h 后 缓 冷至 1 0 0开始 焊接 。典 型 的补焊 方法 为焊 条 电弧 焊 ， 焊 接位 置为 立焊 +横 焊 ， 焊 接 电源选 直 流反 接 ， 焊 接参 数见 表 1 。焊接 材料 宜 采 用 s 、 p质 量 分 数低 且 韧 性 高 的 j 5 0 7 s ha 焊 条 或 焊 丝 ， 须 按 照 g b t 3 9 6 5 1 9 9 5 电焊 条 熔 敷 金 属 中扩 散 氢 测 定 方法 进行 扩 散 氢 复验 l 1 ， 扩 散 氢 的含 量 应 当小 于 0 0 5 ml g 。 需进 行立 焊 焊 接 工 艺 评 定 ， 试 板 热 处 理 时 应考 虑制 造 、 返 修 、 此次 热处 理 的累加 时 间 。焊 工 需 具备 焊接 立焊 、 横 焊 的相 应 资格 。 表 1 开裂球罐 补焊 焊接 工艺 2 3焊后热处理 焊后将 焊接 部位 以及 周边 1 5 0 mm 范 围加 热 至 3 0 0保 温 2 h之 后 缓 冷 至 室 温 ， 如果 焊后 立 即 进 行 消应力 热处 理 ， 则 此 工 序 可 省 略 。焊后 对 补 焊 焊 缝 进行 1 0 0 超 声 波 检 测 和 1 0 0 9 6 磁 粉 检 测 。确 认 修 复部 位无缺 陷后 ， 对 球 罐 应 进行 整 体 热 处 理 。热 处 理 参 数 为 ， 升 降 温 速 度 不 大 于 2 0 0 h 、 温 度 ( 6 2 0 -+1 0 ) 、 保 温 2 h 。热处 理 后 ， 原 则 上 不 允许 再进 行补 焊 。 2 4 复检 热处 理后 按 图样 技 术要求 进行 压力 试验 。压 力 试验合格后 ， 对焊接部位进行 1 0 0 超声波检测和 1 0 0 磁 粉检 测 ， 对于 复检 发现 的裂纹 须打 磨 消除 。 检查焊 缝及 热影 响区 硬度 ， 其 硬度值 应 小 于 2 0 0 hb。硬 度测 试完 成 后 ， 须 打 磨 消 除 硬 度 测 点 的 冲 击痕 。对 硬度 异 常部 位 进 行 金 相 检 验 ， 组 织 中 不 得存在马氏体 ， 否则应打磨消除或重新进行热处理 。 对 复 检后需 要 动焊 修 复 的 部位 ， 可进 行 局 部 焊 后 热 处 理 。 2 5 耐压 试验 耐压 试验 采用 水温 不 低 于 5 的 洁净 水 ， 试 验 压力 为设 计压 力 或核定 的最高使 用压 力 的 1 2 5 倍 。 必要 时在水压试验过程 中可对球 罐进行声发射 检 测 ， 以确定保 留的缺 陷 的活动性 。 3 修复效果 采用上述方法修复 了 1 0余台遭受湿硫化氢腐 蚀的 2 0 0 4 0 0 m。液态烃球罐 。对 于修复后 的球 罐 ， 要监测运行中罐内游离水 中所含 的 s 。卜 ， 其质量 浓 度应 低 于 5 0 rag l( 即 1 5 6 mo l m。 ) ， 严 禁 未 脱 第 5期 蒋 跃 宁 ： 在 用 钢 制 球 形 液 态 烃 储 罐 开 裂 原 因 分 析 及 修 复 硫 、 未 脱 水 的 液 态 烃 进 入 球 罐 ， 游 离 水 中 c n 、 nh 和有机胺 质量 浓度均 应 小 于 1 0 mg i ， p h 值 应 为 6 8 。事故状 态下 ， 硫化 氢 超标 的液 态 烃 只能 引入指 定 的球 罐 ， 事 后 必 须 尽快 对 该球 罐 进 行 内部 检验 。 经 5 a的跟 踪检 验 发 现 经 喷 砂 处理 的球 罐 开 裂倾 向明显 降低 ， 即使 在 介质 中硫 化 氢量 超 标 的情 况下 ， 球 罐 内表面焊 缝 开 裂 和母 材 氢鼓 包 的 数 量仍 比未 经喷砂 处理 的低至 少 9 o ， 裂纹 深 度一 般 都小 于 1 mil l 。术 补焊 的凹坑部 位未发 现裂 纹 。 采 用 j s 0 7 sha 焊条 进 行补 焊 的部 位 几 乎 没有 开裂 ， 而州普通 j 5 o 7焊条 补焊 的部位有 不 同程 度 的 开裂 。 4 结 语 湿 h s可 以造 成材 料的 全面腐 蚀 、 硫化 氢 应力 腐 蚀 开裂 ( s s c c) 、 氢 诱 导 开 裂 ( hi c) 、 应 力 导 向氢 致 开 裂( s ohi c ) 、 氢鼓 泡 ( hb ) 和 氢脆 ( he) 等 破坏 形式 ， 可 以在极低 的应 力 下 产生 硫 化 氢应 力 腐 蚀 开 裂 ， 硫化 氢应 力腐蚀 开裂 的发展速 度 ( 特 别对 于强度 较高材 料 ) 有 时 很 快 ， 会 造 成 设 备 的 突 发 性 破 坏 事 故 。对 于使用 低合 金 钢制 造 的 球罐 ， 控 制 进 入球 罐 的液化 石 油 气 中所 含硫 化 氢和 游离 水 中的 s ， 是 防止球罐 开裂 的根 本性措施 。 球 罐制 造 质量 低 劣 、 整体 焊后 热 处理 失 控 可能 导 致球罐 在湿 h s介 质 中开裂 ， 但制 约球 罐 安全 运 行 的重要 因素 是 介 质 中 h s及 其 他 有 害 介 质 ( 如 氨 、 有机胺 、 c n) 的 含量 ， 对 于 已 发生 过 硫 化 氢 应 力 腐蚀 开 裂 的球 罐 ， 更 应 严 格 控 制 介 质 中 的 h s 量 。对发 生 了硫 化 氢应 力腐 蚀 开 裂 的球 罐 ， 不 能 仅 消 除发现 的裂纹 。 必 须对 球 罐 内壁 进 行全 面 的喷 砂 处理 ， 才能 降低将 来球 罐 开 裂 的 风险 ， 否 则 ， 金 属 表 面 的硫 化物腐 蚀产 物还将 在使用 过程 中参加 腐蚀反 应而放 h s ， 继续 导致球罐 开裂 。 1 6 mn r( hi c ) 是抗 湿 硫 化 氢腐 蚀 的 专用 钢 种 ， 但 目前 国 内还 没有使 用该 钢种制造 液态 烃球罐 的报 道 ， 因此 ， 建 议使 用 1 6 mn r( hi c) 材 料 制 造 遭 受 湿 硫 化氢腐 蚀 的液 态 烃球 罐 ， 以减 少液 态 烃 球罐 发 生 硫 化氢应 力腐蚀 开裂 、 氢鼓泡 和氢诱 导开 裂 的风险 。 参考文献 ： 1 王泽军， 吴海 陆金明。 等 c f 6 2钢制丙烯球罐的检验与分 析 j 中阁锅炉压力容器安全 2 o 0 0 1 6 ( 1 ) ： 2 5 2 8 2 刘福 录， 朱保阚， 严 国华 等 8 0 0 0 n 1 商 品液化石 油气球罐设 计研究 j 石油化工没备， 1 9 9 9 2 8 ( 1 ) ： 2 1 2 5 3 汗 琳 nk hi te n6 l 0 u2钢 制 1 0 0 0 m 丙烯球罐设计 j 化工设备与管道， 2 0 0 2 ， 3 9 ( 5 ) ： 5 5 5 6 4 手玮 ， l于春生 。 三 忠， 等 液化气球罐 氢致 开裂及修 复 j 石油化工设备 ， 1 9 9 9 ， 2 8 ( 5 ) ： 4 6 4 8 5 白金亮 ， 壬春燕 ， 周建军 ， 等 i i ( ； 球罐腐蚀开裂失效 分析 j 石油化1 设备技术， 2 0 0 1 ， 2 2 ( 3 ) ： 1 5 一 l 7 6 贾航 液 化石油气 i 2 s应力腐 蚀裂 纹返修 j 化 工机械 ， 2 0 0 8， 3 5 ( 3 )： 1 7 3 一 l 7 5 7 3 李永健 ， 吴学纲 ， 谢申， 等 异构化 装置腐蚀原 因分析及对策 j 石 油化 i 设备 2 0 0 7 ， 3 6 ( 5 ) ： 9 8 1 0 1 8 f s g r 7 0 o 1 2 0 0 4， 压力容器定期检验规则 s 9 ap i p ub i i c ati on 5 8 1 ， ri s k b a s e d i n s p e c t i o n b a s e r e s o u r c e i ) o c u me n t i s 1 o gb 8 9 2 3 8 8 ， 涂装前钢材表 面锈蚀等级和除锈等级 s 1 i j b t 4 7 3 0 2 0 0 5 ， 承压设备无损检测 s i