cf62钢制压力容器中的裂纹分析与预防措施Word文件下载.docx

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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×

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1-1 

A-3处缺陷右端（裂纹） 

60×

照片2-1 

I-1处微观裂纹全貌 

60×

照片2-2 

I-1处裂纹局部放大 

200×

照片2-3 

I-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；

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