含缺陷15MnVNR球罐安全状况评价及焊接修理方法研究 参考文献

1、评阅人4 ：评阅人5 ：答辩委员会主席：_ = 鹭萼肇乓一委员i ：弛堑委员2 ：委员3 ：委员4 ：委员5 ：答辩日期：学位论文作者躲多1 勺1撕期嘞。年川。日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解浙堑太堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝堑太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：1q 面T签字日期：2 ，。年十月弘日导师签名：丁R签字日期：年月日摘要宝钢多个1 5 M n V N R 钢制氧气球罐

2、建于8 0 年代初期，受当时设计制造水平的限制，这批球罐的很多部位存在焊接缺陷。由于某些特定的历史原因，当时仅对部分缺陷进行了焊接返修，多年来这些球罐都处于带缺陷运行状态。这些缺陷的影响与危害有多大? 球罐实际的安全程度如何? 1 5 M n V N R 钢的焊接性能究竟如何?这些问题一直困扰着球罐管理人员。随着特种设备管理技术的进步和管理制度的日益完善，现在越来越必要，同时也已具备条件来回答这些问题。本文即以这些问题为研究内容。通过综合分析与评价1 5 M n V N R 球罐多年来积累的检验数据，通过对1 5 M n V N R 材料性能和焊接性能进行试验研究，以及实际对某球罐缺陷实施焊接

3、修理，本研究获得了以下成果：( 1 ) 用于制造球罐的1 5 M n V N R 钢板具有良好的材料性能和制造质量。( 2 ) 球罐制造时保留至今的超标缺陷性质大多数为气孔和夹渣，这类缺陷是焊接中最常见的体积性缺陷，对这些缺陷的跟踪检查结果表明大多数缺陷性质未发生变化，可以确定为“非活动缺陷 ，即认为它们几乎不会对球罐安全性造成危t j r古0( 3 ) 然而，少量的焊接缺陷可能扩展为危害性较大的裂纹缺陷，对此需要及时进行缺陷消除和焊接修理。( 4 ) 1 5 M n V N R 钢具有较好的可焊性，只要制定合理的焊接工艺，完全能够获得良好的焊接质量。因此，对球罐存在的缺陷进行焊接修理是可行的

4、。( 5 ) 通过对1 5 M n V N R 材料焊接性能和焊接可靠性进行试验研究，总结出了一套适用于球罐的焊接修理方案。实践证明该方案切实可行。关键词：1 5 M n V N R 球罐氧气缺陷安全评价焊接修理m a n u f a c t u r e ，a n do n l yp a r to ft h ef l a w sw e r em a d ew e l d i n gr e p a i r , h o wm u c ht h e s ef l a w si n f l u e n c ea n dh a r mt h es a f eo p e r a t i o na n dr

5、 u n n i n go ft h ev e s s e l s ? h o wa b o u tt h es e c u r i t ys i t u a t i o no ft h es p h e r i c a lp r e s s u r ev e s s e l s ? h o wa b o u tt h ew e l d i n gp e r f o r m a n c eo f15 M n V N Rs t e e l ? t h e s ep r o b l e m sw e r ec o n c e r n e db yt h ee q u i p m e n tm a

6、n a g e r s ，a n di tb e c o m e sm o r ea n dm o r en e c e s s a r ya n df e a s i b l et oa n s w e rt h e s ep r o b l e m sa st h ed e v e l o p m e n to ft h es p e c i a lc q m p m e mm a n a g e m e mt e c h n o l o g ya n ds y s t e m ，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h e s ei s s u e s b

7、ya n a l y z i n gp r e v i o u sm a i n t a i nr e s u l t so ft h ev e s s e l s ，t e s t i n ga n dm s e a r c m n gt h em a t e r i a lp r o p e r t i e sa n dw e l d i n gp e r f o r m a n c e ，a n dm a k i n gw e l d i n gr e p a i ras p h e r i c a lp r e s s u r ev e s s e l ，w eg o tt h ef

8、o l l o w i n gf m d i n g s ：( 1 ) t h em a t e r i a l s q u a l i t ya n dp e r f o r m a n c eo ft h es t e e ls p h e r i c a lp r e s s u r ev e s s e l sm e e tt h eu s er e q u i r e m e n t ；( 2 ) t h em o s to ft h er e s e r v e dm a n u f a c t u r i n gf l a w sa r eg a sc e l l sa n ds

9、 l a gi n c l u s i o n ,a n dt h i sk i n do ff l a wi st h em o s tc o m m o nf l a wi nw e l d i n g ，t h et r a c k i n gt e s tr e s u l t so ft h ef l a ws h o wn oc h a n g ei nt h en a t u r eo ft h em a j o r i t yo ff l a w s i d e n t i f yi t 鹪”n o n - a c t i v ef l a w s , i td o e s n

10、 ti n f l u e n c ea n dh a r mt h es a f eo p e r a t i o na n dr u n n i n go ft h ev e s s e l s ( 3 ) s o m ew e l d i n gf l a w sm a y b ee x t e n dt oc r a c k ，i ti sd a n g e r o u s ，S Oi ti sn e e d e dt oc l e a nu pt h ef l a w sa n dm a k ew e l d i n gr e p a i r ( 4 ) 15 M n V N Rs

11、t e e lh a sag o o dw e l d i n gp e r f o r m a n c e ，i ti sp r o p e r l yp o s s i b l et og e t1 1 i g hw e l d i n gq u a l i t ya n di ti sf e a s i b l et om a k ew e l d i n gr e p a i rt h ev e s s e l sb a s i n go n ar e a s o n a b l ew e l d i n gt e c h n i c s ( 5 ) as p h e r i c a

12、lp r e s s u r ev e s s e l sw e l d i n gr e p a i rp r o g r a mW a Sd r a w na n dv e r i f i e db yt e s t i n g15 M n V N R Sw e l d i n gp e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t y K e y w o r d s ：S p h e r i c a lp r e s s u r ev e s s e lO x y g e nF l a wS a f e t ye v a l u a t i o nW

13、 e l d i n gR e p a i rI I -目录摘要IA b s t r a c t I 】：第1 章绪论11 1 弓I 言11 1 1 课题背景11 1 2 球罐和1 5 M n V N R 钢情况简介11 1 3 立项的必要性、重要性和可行性分析21 2 研究现状31 2 11 5 M n V N R 钢的来龙去脉31 2 2 安全管理规定51 2 3 安全评估理论61 2 4 焊接工艺评定理论91 3 本研究计划要点91 3 1 研究目的91 3 2 研究内容1 01 3 3 研究关键技术及解决途径1l第2 章宝钢1 5 M n V N R 钢制氧气球罐调研1 22 1 概况

14、1 ：12 2 球罐的原始资料1 22 2 1 设计。122 2 2 施工概况122 2 3 焊接工艺说明1 42 2 43 # 氧气球罐焊后热处理142 3 氧气球罐的使用情况调研1 42 3 1 球罐的使用年限1 42 3 2 使用工况1 42 3 3 周围环境152 3 4 球罐腐蚀情况152 3 5 球罐使用情况1 52 4 氧气球罐安全状况等级1 5第3 章氧气球罐安全状况评价1 73 11 5 M n V N R 钢板力学性能分析1 73 1 1 钢板的力学性能1 73 1 2 消除应力热处理对钢板力学性能的影响2 33 2 裂纹成因初步分析2 43 31 5 M n V N R

15、钢制氧气球罐安全状况评估2 53 3 1 球罐历次检验结果和处理情况2 53 3 2 按照“容检规”的有关规定评价球罐的安全状况等级4 33 3 3 按照对缺陷的安全分析结果评价球罐的安全状况等级4 43 3 4 结论与建议4 5第4 章1 5 M n V N R 焊接性能研究4 64 11 5 M n V N R 钢焊接的试验研究4 6I I I 4 21 5 M n V N R 钢焊接裂纹敏感性的试验研究5 64 2 11 5 M n V N R 钢的焊接冷裂纹敏感性试验5 64 2 21 5 M n V N R 钢的焊接再热裂纹敏感性试验6 14 2 3 结论6 44 31 5 M n

16、V N R 钢的焊接工艺评定试验6 54 3 1 试验用钢化学成分的确认和力学性能的测试6 54 3 2 试验用焊条6 64 3 3 试板的编号及其焊接试验条件6 64 3 4 各类试板的焊接及其实测的焊接工艺参数6 64 3 5 各类试板的无损检测和焊后熟处理试验7 04 3 6 各类焊接试板的性能试验7 04 3 7 分析。7 24 3 8 结论7 3第5 章1 5 M n V N R 钢制球罐焊接修理7 45 11 5 M n V N R 钢制球罐的焊接修理方案7 45 1 1 设备的缺陷消除及坡口制备7 45 1 2 对焊接设备和人员的要求7 45 1 3 焊条的选用7 45 1 4

17、焊接工艺评定试验7 55 1 5 焊接修理的要领7 55 1 6 焊后热处理7 55 1 7 焊后检验7 65 21 5 M n V N R 钢制氧气球罐焊接修理。7 65 2 1 待修缺陷的状况7 65 2 2 焊接修理的要点7 75 2 3 焊接返修7 85 2 4 焊后热处理( S R 处理) 8 05 2 5 水压试验8 0第6 章结论8 1参考文献8 2致 射8 61 1 引言1 1 1 课题背景第1 章绪论宝山钢铁股份有限公司能环部一期工程中有6 台4 0 0 m 3 的1 5 M n V N R 氧气球罐和2 台2 3 0 0 m 3 的1 5 M n V N R 氮气球罐，此8

18、 台球罐建造时间为1 9 8 0 年至1 9 8 3 年，1 9 8 4 年投用运行。由于当时有关大型球罐的设计、制造规范还不完善，施工人员对这类钢的力学性能的特点和焊接工艺的难度没有足够的认识，对1 5 M n V N R钢制球罐的制造和焊接质量的控制不够严格，以致于这些球罐在制造中留下较多的埋藏超标缺陷，在不敢轻易焊接返修的情况下投入运行了近2 5 年。能环部这8 台球罐制造遗留的超标缺陷对其安全运行有多大的影响? 其危害性是何种程度以及是否影响到球罐的安全使用寿命? 球罐的安全状况等级应该如何恰当的评定? 按照“压力容器检验规程”的有关规定，对球罐存在的部分缺陷应该进行焊接返修，但是由于

19、1 5 M n V N R 低合金高强钢的焊接工艺及焊接前后热处理的要求高，焊接性能差，返修难以保证质量，以致这批球罐至今带缺陷运行并成为企业安全生产的隐患。了解影响球罐安全运行的各种因素，科学预测这批球罐的使用寿命以确保它们在有效期内的安全运行，以及科学地、合理地编制球罐更新计划是能环部和相关管理部门多年来反复讨论和关心的问题。为此，对1 5 M n V N R 钢制球罐安全状况进行评价，对球罐遗留缺陷焊接修复的可能性进行研究这些内容的研究其成果将有助于管理部门立体了解在用球罐所处的安全状况，为科学管理、安全使用、延长寿命、决策更换、提前制定计划提供充分的科学依据。1 1 2 球罐和1 5

20、M n V N R 钢情况简介球罐建造始于上世纪初，在5 0 年代后期开始得到较快发展。发展进程先是低压、常温、小型及气体介质；其后是中高压、低温、液化气介质、较大型化；随着我国经济建设的发展，球罐在石油、化工、冶金、城建、航空航天等许多领一l 一域得到广泛应用。在石化企业，球罐多被用来储存液氨、液化石油气、液化天然气、液氧、液氮、液氢及各种压缩气体等。在冶金企业，球罐多被用来储存较高纯度的氧气和氮气。6 0 年代中期我国建造的球罐容积一般为5 0 - - , 2 0 0 m 3 ，7 0 年代建造的球罐容量大部分为4 0 0 m 3 ，8 0 年代建造的球罐中容量多为1 0 0 0 m 3

21、。目前我国在役运行的球罐中，有不少是1 9 8 0 年前建造的，受当时设计制造水平的限制，选材不当，工艺不合理，执行规范不严格，致使相当一批数量的球罐在制造竣工后或使用过程中，在焊缝及热影响区出现缺陷，严重影响了球罐的安全使用。1 5 M n V N R 是我国2 0 世纪6 0 年代开发的一种低合金高强度钢，到了7 0 年代，1 5 M n V N R 已经作为一个有发展前途的钢种开始用于我国冶金、桥梁行业，如宝钢、上钢、武钢、首钢、马钢、颚钢的部分氧气、氮气球罐采用了1 5 M n v N R 钢制造；我国的白河大桥、九江大桥采用了1 5 M n V N q 钢制造。1 1 3 立项的必要

22、性、重要性和可行性分析能环部球罐的安全可靠性直接关系到宝钢钢铁的产品质量，也关系到宝钢安全生产的大问题。由于历史、技术、管理上的原因，一期8 台球罐制造质量较差，如4 # 氧气球罐在制造时遗留下大量的超标缺陷，在第一次开罐检验时，1 0 0 X射线探伤拍片8 0 2 张，其中I I I 级片1 1 4 张，级片3 3 张，V 级片7 8 张。考虑到对超标缺陷进行全面焊接返修难以保证质量，仅在对该球罐进行安全分析与评定的基础上对不能通过安全评定的缺陷进行了焊接返修。但是历次检查中不断发现有延迟裂纹，2 0 0 1 年对4 # 氧气球罐检验时发现球罐内壁最大表面裂纹深度达6 2 m m 。如何处理

23、球罐存在的制造缺陷和使用中不断产生的缺陷已经成为历次检验中的棘手问题，按照“压力容器检验规程”的有关规定，对球罐存在的部分缺陷应该进行焊接返修，但是由于1 5 M n V N R 低合金高强钢的焊接工艺及焊接前后热处理的要求高，焊接性能差，返修难以保证质量，以致这批球罐至今带缺陷运行并成为企业安全生产的隐患。了解影响球罐安全运行的各种因素，科学地、合理地编制球罐更新计划是能环部和相关管理部门多年来反复讨论和关心的问题。为此，以能环部为主，由宝钢相关部门参加，并联合国内专业从事压力容器设计、研究、失效分析研究单位一合肥通用机械研究所共同参加，以6 台氧气球罐为研一2 一究对象，对1 5 M n

24、V N R 钢制球罐安全状况进行评价，对球罐遗留缺陷焊接修复的可能性进行研究。这些内容的研究其成果将有助于管理部门立体了解在用球罐所处的安全状况，为科学管理、安全使用、延长寿命、决策更换、提前制定计划提供充分的科学依据。1 2 研究现状1 2 11 5 M n V N R 钢的来龙去脉为适应我国冶金工业氧气、氮气球罐压力较高、容积逐渐加大的需求，希望研制出比1 6 M n R 和1 5 M n V R 强度更高的钢材。在2 0 世纪6 0 年代末，冶金部门在1 6 M n 的基础上添加氮、钒、铝等元素，开发了1 5 M n V N 钢。该钢经正火处理后可形成氮化钒、氮化铝等，这些弥散分布的质点

25、会使钢材的晶粒细化、强度提高。7 0 和8 0 年代，1 5 M n V N 作为一个有发展前途的钢种进行推广使用，并在压力容器、球罐和桥梁上得到应用( 用于压力容器钢定义为1 5 M n V N R ，用于桥梁钢定义为1 5 M n V N q ，三者之间的区别在于钢材中N 、V 、P 、S 含量不同而已) 。1 5 M n V N R 纳入了1 9 6 9 年7 月1 日试行的Y B l 3 - 6 9 “普通低合金结构钢钢号和一般技术条件”，同时还纳入了1 9 6 9 年1 1 月1 日实施的Y B 5 3 6 - 6 9 “压力容器用碳素钢及普通低合金结构钢热轧厚钢板技术条件 。1 9

26、 8 6年又纳入了G B 6 6 5 4 - 1 9 8 6 “压力容器用碳素钢和低合金钢钢板标准。1 9 7 3 年8 月，冶金部召开“贮氧气球罐建设座谈会”，确定以马鞍山和本溪两个钢厂作为1 5 M n V N R 钢制4 0 0 m 3 贮氧球罐的试点工程。以北京钢铁设计院、鞍钢钢研所、冶金部建筑研究院、1 3 冶和1 7 冶建筑公司、马鞍山和本溪钢铁公司等为主，联合国内有关研究院所和高等院校，对1 5 M n V N R 钢的加工、成形、焊接和热处理等性能进行试验，并制造了小型容器进行实物爆破。马钢和本钢的1 5 M n V N R 钢氧气球罐按冶金部( 7 3 ) 冶基字第1 7 3

27、 5 号文附件“冶金部关于贮氧气球罐施工和使用维护的若干临时补充规定”进行设计、施工，该两项工程先后于1 9 7 6 年底完成。随着钢材质量的改善和焊接技术的进步，8 0 年代后采用1 5 M n V N R 钢制造的贮氧气球罐较7 0 年代的制造质量有所提高。从压力容器钢板标准的变更中可看一3 一浙江大学硕士学位论文第1 耄出( 见表1 1 和表1 2 ) - 钢材的N 、V 、P 、S 含量在降低；塑性和韧性在提高；抗拉强度上限被限制，这均有利于材质的稳定和焊接性能的改善。表1 11 5 M n V N R 在相关压力容器钢板标准中的化学成分( )相关标准CS iM nVNP S Y B

28、l 3 _ 6 90 2 0 0 5 00 1 60 0 1 40 0 5 00 0 5 0Y B 5 3 6 _ 6 9O 1 20 2 50 0 2 20 0 4 00 0 4 5G B l 5 9 1 7 90 ，2 00 2 0 0 6 00 0 4 50 0 5 0G B l 5 9 1 8 81 3 0O 1 00 0 1 0G B 6 6 5 4 8 60 2 0 0 6 01 7 00 2 00 0 2 00 0 3 50 0 3 50 2 00 0 3 50 0 3 0G B 6 6 5 4 _ 1 9 9 60 2 0 0 5 50 0 3 0 * 0 0 2 0 *注：木

29、为G B 6 6 5 4 1 9 9 6 第2 号修改单中的规定表1 21 5 M n V N R 在相关压力容器钢板标准中的力学性能板厚0sM p a65 Q 删k g fm c m 2常温A 科相关标准0b 肝am m( 横向) J1 1 2 55 5 84 4 01 81 喝1 3 _ 6 92 6 3 85 5 04 1 01 74 0 5 05 3 03 9 01 72 7 3 65 5 84 2 0Y B 5 3 6 - 6 91 763 8 5 05 4 04 0 01 7 2 55 7 04 2 01 8G B l 5 91 7 92 6 3 85 5 04 1 01 74 0

30、 5 05 3 03 9 01 71 l 2 55 7 04 2 01 86 8 1 5 91 - 8 82 6 3 85 5 04 1 01 72 74 0 5 05 3 03 9 01 71 7 2 55 7 0 7 1 54 2 01 8G B 6 6 5 4 一8 62 6 3 85 5 0 6 9 54 1 01 73 44 0 6 05 3 0 6 7 53 9 01 7 1 6 3 65 5 0 6 9 04 2 0G B 6 6 5 4 一1 9 9 61 83 4 3 6 6 05 3 0 、6 7 04 0 0自1 9 7 3 年冶金部确定以马鞍山钢厂和本溪钢厂作为1 5

31、M n V N R 钢制4 0 0 m 3 储氧球罐的试点工程以来，有关钢厂如首钢、武钢、鄂钢、上钢等钢铁企业陆续采用1 5 M n V N R 钢制造氧气和氮气球罐。1 5 1 V i n V N 钢除了制造氧气球罐、氮气球罐外，8 0 年代末期还用于架设大跨度的铁路大桥。如九江长江铁路大桥由于采用了S 、P 、V 、N 含量较低的、焊接性能较好的C 级1 5 M n V N q ，所以在试验和施工时均未出现裂纹，从而保证大京九铁路运输畅通。一4 一1 2 2 安全管理规定由于压力容器和球罐事故所引起的灾难触目惊心，所造成直接经济损失数额特别巨大，为了确保压力容器和球罐的安全运行，从六十年代

32、开始我国逐渐认识到对压力容器管理的重要性，制定了各项政策与法规，如1 9 6 6 年劳动部颁发压力容器安全监察规程( 试行) ，1 9 8 1 年劳动部颁发1 9 8 2 年4 月执行压力容器安全监察规程( 简称“规程 ) ，1 9 9 0 劳动部对“规程”进行修订后改名为压力容器安全技术监察规程( 简称“容规”) ，于1 9 9 1 年1 月正式执行，与“容规”同时出台的有在用压力容器检验规程( 简称“检规 ) 。1 9 9 9 年国家质量技术监督局对“容规进行修订，于2 0 0 0 年开始执行压力容器安全技术监察规程( 简称 新容规 ) 哺1 。但是随着我国工业的蓬勃发展和科学技术的进步，

33、“新容规 和“检规在长期执行过程中也暴露出某些问题和不足，如对其中的安全状况等级的划分未能充分反应国内相关的研究成果和大量的检验实践的成熟经验，部分检验要求偏严不利于加入W T O 后的国际竞争，尤其是上述的“容规 、“检验 、”新容规 三个规程之间存在诸多不一致处，为此由国家质量检验检疫总局牵头组织国家质量检验检疫总局锅炉压力容器检测中心，合肥通用所、沈阳市锅检所、上海市锅检所等单位进行深入、广泛、细致的现场调查研究，反复听取、吸收锅炉压力容器行业以及检验单位的意见，将近年来的科研与应用成果有针对性地纳入到T S GR 7 0 0 1 2 0 0 4 压力容器定期检验规则，以下简称“容检规

34、。“容检规”于2 0 0 4 年9 月2 3 日开始实行嘲。“容检规”中对球罐安全状况等级的定级与原“检规 相比较，充分考虑到在用压力容器检验中存在的特殊性，在各条款中充分体现其科学性和合理性；对特殊压力容器的定义更为明确；对材质不明的在用压力容器，安全状况等级的评价更加严格；对表面缺陷的处理及裂纹打磨消除后形成的凹坑的允许值给定了范围，在“七五 和“八五”科研成果的支持下，对凹坑缺陷的允许范围比“检规的要宽；对有特殊要求的压力容器包括承受疲劳载荷的压力容器，采用应力分析设计的压力容器，盛装极度、高度危害介质的压力容器，材料的标准抗拉强度下限ob 5 4 0 M P a 的钢材制造的压力容器，

35、安全状况定级对埋藏缺陷中的圆形缺陷的限制要比原“检规 在点数上有所放宽，对非圆形缺陷的限制要比原“检规安全状况等级的定级也有所放宽，原“检规 对有特殊要求的压力容器在同样的一5 一限制条件下安全状况等级定为4 级，在“容检规”中定为3 或4 级，并且补充规定，如果能够通过有效方式确认缺陷是非活动的，则缺陷长度的允限值可增加5 0 。“容检规”第四十九条规定了对需进行缺陷安全评定的大型关键性压力容器的安全状况等级的评定应当根据安全评定的结果加以确定。“容检规 的实施为改变压力容器目前的管理状况实现压力容器管理的现代化、正规化和规范化提供了科学的依据。宝钢一贯按容规及有关规章制度对压力容器进行严格

36、管理，为生产提供安全、可靠的设备。日常进行点检、巡检，并纪录在案；每年一次外部检查；并按周期进行开罐检验。球罐资料完整、齐全。1 2 3 安全评估理论大量的研究结果表明，焊缝中气孔率小于5 对焊缝的强度基本上无影响，夹渣缺陷也基本如此。气孔夹渣对球罐安全性的影响主要表现在这些体积性缺陷所引起的应力集中有可能在疲劳载荷的作用下萌生裂纹。为此，我国压力容器安全监察部门、管理部门、检验单位和使用单位在制定的一系列规范规定标准和方法中均对此类缺陷的容限值做了具体规定，如检规规定，单个圆形缺陷的长径不得大于壁厚的1 2 ( 且不大于9 m m ) ，小于该尺寸的圆形缺陷，按照不同的厚度和缺陷点数对容器进

37、行评级，据此判断容器是否允许使用。对于非圆形缺陷，则限制其沿壁厚方向自身高度小于壁厚的1 5 ( 且不大于4 r a m ) ，缺陷长度不超过3 倍的壁厚。由于当时缺少“气孔夹渣缺陷对压力容器静强度的影响”的系统理论分析和足够的实验研究结果作为依据，上述的规程、规则、办法等对气孔夹渣缺陷容限值的控制难免过于保守，从而给在役压力容器的检修增加了相当大的工作量，而事实上，不必要的返修不但造成大量的人、财、力的浪费，尤其对不许动用明火的现场工作带来相当大的难度，而且可能产生更为严重的焊接缺陷。七十年代合肥通用所、北京钢铁研究总院、浙江大学等单位率先将断裂力学用于在用压力容器的缺陷评估与寿命预测，进行

38、了大量的试验研究和国外规范的消化吸收，编制了我国第一部压力容器缺陷评定规范C v D A 一1 9 8 4 ，C V D A 与国外同期的缺陷评定规范( 如日本W E S - 2 8 0 5 ，英国B S - P D 6 4 9 3 ，I I W - X - 7 4 9 - 7 4 等) 一样都是建立在以D M 模型和宽板试验为基础的C O D 设计曲线基础之上，只是在裂纹一6 一处于应变水平接近材料屈服应变值时，C V D A 的设计曲线更加安全，近二十多年来，国内数家单位应用C V D A 对万余台存在着各种严重缺陷在用压力容器进行了安全评估，保留了一大批不影响球罐安全使用的缺陷。即保证了

39、安全运行，又避免了不必要的设备更新与返修，实践证明C V D A 规范用于对在役压力容器缺陷的安全评定是安全可靠的。“七五 攻关期间，合肥通用所与劳动部锅检中心共同对气孔、夹渣、凹坑等体积性缺陷的压力容器安全性进行了重点研究。“八五攻关期间，由合肥通用所、劳动部锅检中心共同完成国家重点科技攻关课题在役锅炉压力容器安全评估与爆炸预防技术研究的子项课题含气孔夹渣缺陷压力容器静强度评定方法研究( 以下简称“气孔夹渣研究”) ，该项研究通过大量的试验研究和有限元计算，对现有的关于气孔夹渣缺陷容限值的判据和处理方法进行分析与探讨，对气孔夹渣缺陷对压力容器极限承载能力进行了深入的研究，提出科学合理有效的“

40、含气孔夹渣缺陷对压力容器的工程评定方法 ，该方法与国内外现有的规范相比，在确保安全性的前提下对气孔、夹渣在容限上作了适当放宽，从静强度角度解决了带气孔、夹渣压力容器的安全性和经济性。其研究成果已经编入国标含缺陷压力容器安全评定规程( 报批稿) ，以下简称“国标报批稿 。“国标报批稿不仅继承了C V D A 的精华，还对体积性缺陷的评定采用了极限与安全性分析为基础的研究成果，对平面缺陷断裂评定采用三级评定的技术路线，使我国压力容器缺陷评定技术达到国际先进水平。三级评定包括的含义及内容：1 级评定，也称为初级评定或筛选评定，它保留了C V D A 的C O D 设计曲线，一失效评定图( F A D

41、 ) 形式表达，以起裂为判据。2 级评定，称为常规评定，它是以失效评定图技术为基础，采用R 6 的选择1曲线防止起裂与塑性失稳。，3 级评定，又称为高级评定，它是采用了E P R I 工程优化方法，直接采用J积分为撕裂参量，实现从起裂，至有限量撕裂，直至撕裂失稳的全过程断裂的分析。三级评定从目标上来说要求做到级别越低，其方法越简单，结果越安全口1 。表面裂纹一直被认为是引发压力容器事故的最大危险源。对于压力较高、波动频繁、腐蚀严重的压力容器及所有的承压设备都不允许存在表面裂纹，检查中一旦发现必须打磨消除。对表面裂纹打磨消除后留下的凹坑缺陷对压力容器安全一7 一验和缺陷处理若干问题的参考意见(

42、以下简称“参考意见 ) 对表面缺陷的处理有如下规定：对对接焊缝表面裂纹消除后经表面探伤，确认消除干净。如缺陷消除后的深度，不超过设计壁厚的百分之七，且不超过3 毫米，可不补焊。对缺陷消除后的表面不得有沟槽或棱角，应保证光洁，并圆滑过渡，侧面斜度应小于1 ：4 。如不满足上述条件则进行补焊修复。1 9 9 0 年我国劳动部颁发的在用压力容器检验规程( 以下简称“检规 ) 对表面缺陷的处理有如下规定：压力容器内、外表面不允许有裂纹。如有裂纹，其深度在壁厚余量范围内，打磨后不用补焊的，其深度超过壁厚余量则要进行补焊。“七五期间，劳动人事部下达的“在役锅炉压力容器安全性研究课题，合肥通用所承担了“凹坑

43、缺陷对压力容器静强度的研究”。针对表面裂纹打磨后留下不同形状、尺寸、位置和方位的单凹坑、多凹坑，对其弹性应力分布和应力集中系数的影响规律进行了全面、系统、深入的数值分析和实验研究，认为“暂行办法 、“参考意见以及“检规 中对表面缺陷消除后形成的凹坑的处理与规定缺少系统的理论分析和足够的实验研究结果作为依据，对凹坑缺陷的评定与处理难免偏保守从而给在役用压力容器的检修增加许多工作量。“八五 期间含凹坑缺陷压力容器安全评定方法研究( 以下简称“凹坑研究”) 作为国家重点科技攻关课题在役锅炉压力容器安全评估与爆炸预防技术研究的子项课题，“凹坑研究”立足于工程应用，通过大量的极限与安定性数值分析和试验测

44、试，全面、系统深入的研究了各种类型的凹坑对受压容器应力分布、塑性区扩展、失效模式及极限与安定性载荷的影响，提出了在役用压力容器凹坑缺陷的免于评定条件和工程评定方法。“凹坑研究”成果在全国石化和冶金企业得到广泛应用，大大减少了不必要的焊接返修所造成的大量的人、财、物的浪费以及可能产生的更为严重的焊接缺陷。成果已经编入“国标报批稿”和2 0 0 4 年9 月2 3 日开始执行的“压力容器定期检验规则 ( 以下简称“容检规) ，“国标报批稿 和“容检规”吸纳了科研和技术进步的成果并在检验实践中得到证实是行之有效的方法，对表面裂纹的处理条款上做了重大改革：在“容检规 的第4 1 条明确规定：内外表面不

45、一8 一允许有裂纹。如有裂纹，应打磨消除，打磨后形成的凹坑在允许范围内不需补焊的，可定为2 级或3 级嘲。1 2 4 焊接工艺评定理论钢制压力容器焊接工艺评定J B 4 7 0 8 2 0 0 0 标准中明确，焊接工艺评定为验证所拟定的焊件焊接工艺的正确性而进行的试验过程及结果评价，焊接工艺指导书为验证试验所拟定的、经评定合格的、用于指导生产的焊接工艺文件，焊接工艺评定报告是按规定格式记载验证性试验结果、对拟定焊接工艺的正确性进行评价的记录报告。焊接工艺评定的一般过程是：拟定焊接工艺指导书、施焊试件和制取试样、检验试件和试样、测定焊接结题是否具有所要求的使用性能、提出焊接工艺评定报告对拟定的焊

46、接工艺指导书进行评定。对于改变任何一个重要因素都需要重新评定焊接工艺，对于增加或者变更任何一个补加因素时则可按增加或变更的补加因素增焊冲击韧性试件进行试验，对变更次要因素时不需要重新评定焊接工艺而是需要重新编制焊接工艺指导书。喳11 5 M n V N R 钢是在1 6 M n R 的基础添加V 、N 、A l 等元素以形成弥散的氮化物，从而细化了晶粒、提高了钢材的强度。与此同时，也增加了钢材的淬硬倾向和产生冷裂纹的敏感性；又因为钢中含二次析出硬化的元素钒，提高了钢材的再热裂纹敏感性。由于1 5 M n V N R 低合金高强钢的焊接工艺及焊接前后热处理的要求高，焊接性能差，返修难以保证质量，

47、不敢轻易焊接返修。1 3 本研究计划要点1 3 1 研究目的( 1 ) 对6 台1 5 M n v N R 氧气球罐进行全面检验，掌握6 台球罐的运行现状、存在问题及球罐埋藏超标缺陷所在的位置、尺寸、性质。( 2 ) 对1 5 M n V N R 钢母材及焊接接头进行冲击及断裂韧性试验和力学性能分析；对1 5 M n V N R 钢进行焊接的试验研究、焊接裂纹敏感性试验研究和焊接工艺评定试验。( 3 ) 汇总各项研究结果，对球罐现存缺陷进行重新审定与失效分析。一O 一( 4 ) 综合分析、全面评估6 台氧气球罐的安全状况，提出改善球罐安全状况的预案。( 5 ) 对1 5 M n V N R 球

48、罐进行焊接修理方案研究，对可进行焊接修理的球罐提出焊接修理方案。( 6 ) 采取焊接修理或安全评估跟踪检验等有效措施，改善球罐安全状况等级，确保球罐安全运行。1 3 2 研究内容( 1 ) 对国内和宝钢1 5 M n V N R 低合金高强钢制球罐的使用情况的调研调研将收集目前国内正在使用的1 5 M n V N R 低合金高强钢球罐的有关情况，包括球罐的工作压力、温度、介质、开停车次数及制造遗留缺陷和新生缺陷对安全运行的影响情况；了解目前国内使用1 5 M n V N R 钢制容器企业对球罐的管理方法，有无退役或报废及报废的原因；收集可用作试验材料的1 5 M n V N R 低合金高强钢；

49、针对能环部球罐的使用、检验、管理情况与其他单位的情况进行综合比较。( 2 ) 对1 5 M n 、，N R 钢材力学性能和焊接性能的研究1 ) 1 5 M n V N R 钢材力学性能研究；2 ) 1 5 M n V N R 钢焊接性能研究；3 ) 1 5 M n V N R 钢冷裂纹敏感性和再热裂纹倾向的研究。( 3 ) 对球罐安全状况的分析与研究1 ) 查阅球罐的设计、制造、安装和检修资料；2 ) 对历次检验中的X 射线底片进行复评；3 ) 对6 台1 5 M n V N R 球罐进行全面检验，并采用超声波探伤定位技术，确定球罐超标缺陷所在的位置、尺寸、性质；4 ) 综合分析，全面评价6

50、台1 5 M n V N R 球罐的安全状况。( 4 ) 焊接修理方案研究1 ) 1 5 M n V N R 钢的焊接性能；2 ) 1 5 M n V N R 钢的“冷裂纹敏感性”和“再热裂纹 倾向；示例提出焊接修理方案。一1 0 一1 3 3 研究关键技术及解决途径( 1 ) 本课题研究内容多，政策性强，涉及专业广，需要进行调研、资料查阅、检验检测、数据采集、理论与试验研究、失效分析等工作。( 2 ) 对球罐的埋藏缺陷进行超声波定位检测。解决途径：将采用成熟的科研成果、由富有经验的无损检测人员对球罐焊缝埋藏缺陷进行超声波定位、定性检测，为球罐的安全分析提供必要的数据。( 3 ) 对球罐进行焊

51、接修理的研究由于八十年代前后的实际、工艺水平和对钢种的局限，使1 5 M n V N R 钢制球罐的制造质量较差，历次开罐检查中表面不断有延迟裂纹出现，为了全面评价现有球罐的安全状况，为焊接返修提供依据，将采用以下解决途径：解决途径：1 ) 对8 0 年代研制的1 5 M n V N R 材料性能和焊接性能数据进行分析；2 ) 对球罐内外壁焊缝、热影响区、母材进行金相试验和硬度测定；3 ) 对裂纹区纵、横裂纹进行金相试验和硬度测定；4 ) 人孔锻件与壳体交接面、对接管部位进行金相试验和硬度测定；5 ) 对1 5 M n V N R 钢“冷裂纹敏感性 和“再热裂纹 倾向进行研究；6 ) 通过对1

52、 5 M n V N R 球罐焊接缺陷返修研究，编制切实可行的焊接返修方案；7 ) 对研究认为必须进行修复的球罐由有资质的单位对球罐进行修复。2 2 球罐的原始资料2 2 1 设计宝钢的6 台4 0 0 m 3 氧气球罐的基本技术参数见表2 1 。表2 1 氧气球罐基本技术参数眩1球罐内径m由9 2 0 0设计压力M P a2 9 4球壳材质1 5 M n V N R设计温度常温球壳壁厚咖3 6水压试验压力 I P a3 6 7公称容积m 34 0 0整体热处理5 6 0 一5 8 0 储存介质氧气重量t8 2 9型式赤道正切式样、8 柱2 2 2 施工概况以3 # 氧气球罐的资料为例进行介绍

53、：1 ) 球壳材料球壳采用鞍钢生产的3 6 m m 厚正火的1 5 M n V N R ，其化学成分和力学性能分别见表2 2 和表2 3 。一1 2 CS iM nPSVN0 1 50 3 71 5 40 0 1 20 0 2 5O 1 50 0 1 70 1 7 0 4 7 1 7 50 0 2 1t , t 90 0 2 70 1 70 0 1 9表2 31 5 M n V N R( 3 6 r a m 厚) 的力学性能A K V JOb M P aOs M p a65 Q = 1 8 0 。常温时效- 4 0 6 1 2 54 6 5 52 4 5正、背弯曲8 6 26 4 76 8 6

54、 1 6 4 6 84 9 9 82 6合格1 1 4 71 3 9 21 2 3 42 ) 焊条、焊丝及焊剂焊条氧气球罐采用上海东亚电焊条厂生产的S H 5 0 7 焊条，其化学成分和力学性能分别见表2 4 和2 5 。表2 45 H 5 0 7 焊缝金属的化学成分( w t )规格mCS iM nPS由40 0 7 4O 5 51 2 70 0 2 20 0 0 8由50 0 9 20 4 91 0 30 0 1 70 0 1 0表2 55 H 5 0 7 焊缝金属的力学性能规格m mob M P aos m P a65 Q - - 1 8 0 。一2 0 A K V J巾45 3 9 4

55、4 2 7 03 3 8正、背弯曲1 8 0 4 ，1 8 1 。4 ，1 9 6 1巾55 3 0 74 4 7 03 4 6合格1 6 3 ，1 7 1 ，1 8 7焊丝采用上海钢丝厂生产的H 0 8 M n A ，其化学成分见表2 6 ：表2 6H 0 8 M n A 焊缝金属的化学成分( w t 9 6 )CS iM nPS0 0 5 8O 0 20 8 9 50 0 0 90 0 1 70 0 6 30 0 4 5O 9 50 0 1 50 0 1 8 7焊剂焊剂采用福建省长汀电子材料厂生产的H J 4 3 1 ，其化学成分见表2 7 。- 1 3 表2 7H J 4 3 1 焊剂的

56、化学成分( w t )S i 0 2M n OM g OC a OC a F 2A 1 2 0 3F e OSP4 1 8 73 5 9 05 8 01 4 46 83 1 21 0 80 0 10 0 1 52 2 3 焊接工艺说明1 ) 球瓣组装方法：分带平台组装、分带吊装法。2 ) 焊接方法：全位置手工电弧焊以及外壁自动焊盖面。3 ) 焊接材料：1 # 、2 # 、3 # 、4 # 球罐的焊条为S H 5 0 7 ，5 # 、6 # 球罐的焊条为J 5 5 7 ；焊丝H 0 8 M n A ；焊剂H J 4 3 1 。4 ) 接坡口：不对称的X 型坡口。5 ) 焊接程序：定位焊一封底焊一

57、焊内侧一清根一着色检验一焊外侧一( 球成形后) 一外壁埋弧自动焊盖面。2 2 43 # 氧气球罐焊后热处理球罐焊后热处理。加热温度5 6 5 1 5 ，保温时间1 0 0 分钟。球罐配有二块热处理试板( 横焊、立焊各一块) ，进行拉力、冷弯、硬度、金相试验，结果合格。2 3 氧气球罐的使用情况调研2 3 1 球罐的使用年限6 台球罐基本上均在1 9 8 4 年投入运行，至今服役约2 5 年。2 3 2 使用工况表2 81 # 6 # 氧气球罐的工艺参数规格栅型式设计温度设计压力肝a介质氧气球罐巾9 2 0 0 3 65 带8 支柱常温2 9 4氧气每个球罐运行时均有不同程度的压力波动，其波动频

58、率也不尽相同。总体说一1 4 图2 1 一期氧气球罐、氮气球罐平面布置图2 3 4 球罐腐蚀情况球罐腐蚀情况均较轻微。2 3 5 球罐使用情况球罐在使用过程中无超温、超压现象。球罐储存的介质基本上按设计规定，但需要说明的是：1 # 氧气球罐在1 9 9 4 - 1 9 9 7 年期间曾降压( 压力1 3 7 M P a 以下)用作氩气储罐；2 # 氧气球罐在1 9 9 1 1 9 9 4 年期间曾降压( 压力0 7 5 1 I M P a )用作氩气储罐。2 4 氧气球罐安全状况等级所有6 个氧气球罐在首检时均满足“容规 的要求。1 # 、2 # 、3 # 、6 # 氧气球罐在第二、三、四次开

59、罐检验时安全状况等级均评为3 级，而在第五次开罐检验中均评为4 级，第六次开始进行安全评定为3 级；4 # 氧气球罐缺陷不多，第二次一1 5 开罐到第七次开罐均为3 级，并第五次开始进行安全评定；5 # 氧气球罐是所有一期氧气球罐中状况最好，第二次开罐时安全状况等级评为3 级，第三到第五次开罐均评为2 级，第六、七次开罐评定为3 级，因此没有进行过安全评估，并且本项目中未将其列入其中。详细情况见表2 9 所示。表2 9 球罐开罐检验时间及安全状况等级设备编号开罐检验第一次第二次第三次第四次第五次第六次第七次第八次1 # 氧球时间1 9 8 71 9 9 01 9 9 41 9 9 72 0 0

60、 12 0 0 32 0 0 62 0 0 9等级f33343332 # 氧球时间1 9 8 71 9 9 11 9 9 41 9 9 72 0 0 12 0 0 32 0 0 62 0 0 9等级33343333 # 氧球时间1 9 8 71 9 9 01 9 9 51 9 9 82 0 0 12 0 0 32 0 0 62 0 0 9等级33343334 # 氧球时间1 9 8 71 9 9 01 9 9 31 9 9 72 0 0 12 0 0 42 0 0 72 0 1 0等级3333335 并氧球时间1 9 8 71 9 9 01 9 9 41 9 9 82 0 0 22 0 0 6