浅谈如何提高在用球形储罐的安全性

作者：罗文进段长海马广强　　评论：　更新日期：2018年08月26日

摘要：球形储罐是一种钢制容器设备。在石油炼制工业和石油化工中主要用于贮存和运输液态或气态物料。操作温度一般为-50～50℃,操作压力一般在3MPa以下^[1]。球罐与圆筒容器（即一般贮罐）相比，在相同直径和压力下，壳壁厚度仅为圆筒容器的一半，钢材用量省，且占地较小，基础工程简单。球罐作为大容量、承压的球形储存容器，广泛应用于石油、化工、冶金等部门，它可以用来作为液化石油气、液化天然气、液氧、液氨、液氮及其他介质的储存容器，也可作为压缩气体（空气、氧气、氮气、、氢气、城市煤气）的储罐。由于球形储罐操作压力相对较高、介质危险系数较大，同时担负着生产介质缓冲的重要作用，所以其安全性就显得尤为重要。本文以本钢燃气厂氢气、氮气球形储罐为例，就全国各冶金、化工企业球形储罐经常出现的各类缺陷，及缺陷的预防和处理、定期检验等方面存在的共性问题进行探讨，旨在提高在用球形储罐的安全性。

关键词：球形储罐；安全；缺陷；检验

The key technology of safety quality control and application of spherical tank

Anshan Gas General Company, ( 114002), LUO Wenjin

Benxi steel group company limited (117000) Duan Changhai Ma Guangqiang

^Abstract^：^{Spherical storage tank is a steel container equipment. In the petroleum refining industry and the petrochemical industry is mainly used for storage and transport of liquid or gaseous materials. Normal operating temperature is-50~50℃, 3MPa operating pressure in General. Sphere and cylinder container (tank), than the same diameter and pressure, shell wall thickness of only half of the cylinder container, steel consumption province and covers an area of small, basic engineering simple.}^{The spherical bearing of spherical tank as a large-capacity, storage containers, widely used in petroleum, chemical, metallurgy and other sectors, it can be used as liquefied petroleum gas, natural gas liquids, liquid ammonia, liquid oxygen, liquid nitrogen and other media storage container, or as a compressed gas (air, oxygen, nitrogen, and hydrogen gas, city gas) tank. Due to the spherical tanks operating pressure is relatively high risk, medium, large, and responsible for the production of the important role of media buffered, so their security is particularly important. This article to hydrogen, nitrogen gas plant of Benxi steel spherical tanks, for example, metallurgical and chemical enterprises nationwide spherical tanks frequently occurring defects, defects prevention and treatment,}^{and discuss general issues with respect to periodic inspection, is designed to improve the safety of spherical tank in use.}

Keywords：Spherical tanks, security, defects inspection

1前言

1.1 选题背景

球形储罐是一种钢制容器设备。在石油、冶金、化工中主要用于贮存和运输液态或气态物料。球罐作为一种大容量、承压的球形储存容器，广泛应用于石油、化工、冶金等部门，它可以用来作为液化石油气、液化天然气、液氧、液氨、液氮及其他介质的储存容器。也可作为压缩气体（空气、氧气、氮气、氢气、城市煤气）的储罐。球形罐与立式圆筒形储罐相比，在相同容积和相同压力下，球罐的表面积最小，故所需钢材面积少；在相同直径情况下，球罐壁内应力最小，而且均匀，其承载能力比圆筒形容器大一倍，故球罐的板厚可为相应圆筒形容器壁板厚度的一半。

我国制造球形储罐始于20世纪60年代初。但随着国民经济的高速发展和改革开放的需要，近年来球形储罐的制造技术已得到了飞速发展。目前国内已独立制造或引进了不同规格和用途的球罐多台套，其最大容积已超过10000 m³，最大压力超过3MPa，最低设计温度在-30℃以下。即使球形储罐的制造水平已经有了很大的提升，但其发生的事故仍使我们触目惊心。1998年，陕西省某煤气公司液化气管理所储罐区一个400 m³球形储罐发生大面积严重液化气泄漏事故，造成重大伤亡及财产损失。2000年云南省某磷肥厂一台400m³ 氮气球罐因检修需要,在降压放空排气时 (当时罐内压力为1.9MPa),其顶部的放空管与人孔盖封头的连接处突然断裂,断开后的放空管从两个操作人员之间飞过坠入地面，其事故危害程度及造成的经济损失令人堪忧。如何提高球形储罐的安全性能值得探讨。

1.2燃气厂现状

本钢燃气厂现有球形储罐8台，其中氢气球罐4台（200 m³两台、400 m³两台），氮气球罐5台（400 m³一台1000 m³三台）。主要负责缓冲系统压力波动以及当PSA制氢系统、氮净化系统故障状态作为应急气源使用。其中，1000 m³氮气球罐设计压力达到3.03MPa，操作压力也达到2.9MPa左右；400 m³氢气球罐操作压力亦在1.45MPa，介质危险、压力较高，危险程度较大。同时在历年的全面检测当中，也有部分球罐发现了裂纹、未融合等缺陷，经检修均已消除隐患。

为能保证压力容器安全稳定，保证生产顺行，就必须做好这几台球罐的安全管理工作，无论从日常操作、年度检验、缺陷预防及处理等方面都需要我们给予重点关注。

2.球形储罐常见缺陷

2.1球壳板材料的缺陷

球壳板材料大多数是低合金高强度钢，有16MnR、15MnVR、07MnCrMoVR等。其缺陷主要是指由于钢材在冶炼和轧制过程中产生的一切缺陷。常见的有重皮、分层、疏松、非金属夹杂物、组织和成分的偏析等。这些缺陷会严重影响钢材的机械性能及使用性能。

2.2球罐球壳板在组对、焊接时产生的缺陷

球壳板在组对时，由于球壳板压制质量好坏、施工单位安装水平高低不同、安装顺序编排等因素，球壳板间通常存在或多或少的角变形、错边量、棱角度等，导致一些球壳板在组对时发生强力组装，从而形成组装应力。特别是对大型球形储罐，由于球壳板制造难度大，几何尺寸难以保证，对现场组对水平要求甚高，这一问题显得尤为突出。

球壳板在焊接时常见的缺陷有裂纹、夹渣、气孔、未融合、尾寒头与咬边等。球壳板在焊接过程中产生的裂纹主要有冷裂纹、热裂纹及再热裂纹三种。热裂纹主要存在于低温球罐焊接机采用铝合金制的球罐中；再热裂纹是设备在焊后消除应力热处理过程中或在高温中产生的；焊接冷裂纹是在焊后较低温度下形成，一般在马氏体转变温度以下，它是由于拘束应力、淬硬组织和氢的作用下产生的裂纹。这种裂纹与氢有关，又有延迟开裂的性质，因此焊接冷裂纹又称焊接氢致裂纹或延迟裂纹。同时，焊接预热温度不够也会产生冷裂纹。

球罐焊接时产生夹渣、气孔、未融合、尾寒头与咬边等焊接缺陷其主要原因有：（1）焊条工艺性能不良、焊接电流现则不正确（夹渣、未融合、未焊透）。（2）环境湿度高、风速大、焊条含氢量过高、烘干不完全（气孔）。（3）焊工操作水平的高低、焊条角度、运条方式、电弧长度等（咬边）。

2.3球罐使用时球壳板、焊缝处发生的氢鼓泡、裂纹等现象

球罐在使用时，因存储介质环境所造成的的腐蚀破坏是经常发生的，它使球罐表面受到破坏，产生腐蚀坑、沟槽甚至裂纹，使钢材的力学性能恶化，导致球罐失效。造成腐蚀的原因有多重，如一般腐蚀、点蚀、氢脆、俯视疲劳等^[2]。

氢鼓泡的发生有如下特点：1、介质中硫化氢浓度超标；2、产生的部位有很强的选择性，主要集中在材料中S含量较高的球壳板上，板材的质量对氢鼓泡的形成有着非常重要的作用.在含有硫化氢的条件下，高强钢、16MnR钢，若氢大量扩散均能引起失效。对16MnR钢，在材料硬度不大的情况下一班表现为氢鼓泡，而对高强钢则表现为应力腐蚀，高强钢吸收少量的氢也可能会发生氢脆。

根据氢脆理论，氢向应变集中区如裂纹或缺口剪短附近扩散，当氢浓度达到某一临界值时，裂纹开始扩展，当裂纹扩展到一定长度后，在应力作用下边发生突然断裂。应力是导向氢开裂是金属材料在拉伸应力和氢质环境的共同作用产生的破坏。

3.缺陷的预防与处理

3.1缺陷预防

3.1.1减少氢的来源

第一，球罐的焊接选用与母材相匹配的低氢型焊条，必要时要采用超低氢型的焊条；第二，焊条使用前一定要按产品使用说明进行烘干，并贮存在恒温箱中。在使用时放入保温筒内并随用随取，重复烘干不得超过两次；第三，要彻底去除焊接坡口表面及坡口两侧至少20mm范围内的油污、水分、铁锈及其他杂物；第四，不在雨雪天及相对湿度大于90%时施焊。

3.1.2选用适当的焊前预热及焊后后热温度

适当的预热温度降低焊缝冷却速度，可使氢更易从焊缝熔池向大气中扩散，避免产生氢致裂纹。同时减少焊缝及热影响区的淬硬程度提高了焊接接头的抗裂性。一方面减小温差应力，另一方面降低了焊接应变速率，有利于避免产生焊接裂纹。在随着焊接层数的增多，焊缝中扩散氢会逐渐积累。因此焊后应立即进行后热，使扩散氢充分的溢出，同时降低焊缝中的残余应力，降低冷裂纹产生的可能性。

3.1.3焊接过程中避免工艺缺陷的产生及合理采用层间温度与线能量

咬边、气孔、弧坑等工艺缺陷部位是应力集中区，这些部位容易产生裂纹。保持适当的层间温度，适当的层间温度也能延缓焊缝的冷却时间，起到一定的去氢和降低残余应力的作用，层间温度不得低于预热温度下限值。线能量过大，降低焊缝和热影响区的硬度和韧性。线能量小，焊接热输入不足，熔池温度不够，冷却速度快，容易产生淬硬组织，造成焊缝应力集中，并容易致氢产生裂纹。所以应合理的选择线能量。

3.1.4避免强力组装及减小错边和棱角度

强力组装将使球罐在焊接前就存在较大的附加内应力，在错边和棱角度存在的部位，曲率发生了突变，焊后将会存在非常大的残余内应力。

3.1.5采用合理的焊接顺序

采用合理的顺序使整台球罐同时对称地收缩或膨胀，这样能控制焊接变形，减小焊接残余应力。球罐焊接应遵循先纵缝后环缝，先大坡口后小坡口，焊工应对称、均匀施焊。

3.1.6避免应力腐蚀措施

根据球罐工作介质的性质，有条件的可在球罐内壁喷涂两道铝粉，防止介质在罐体内表面产生腐蚀坑及脆化层，从而避免了应力腐蚀裂纹的再生成。

3.2缺陷处理

以本钢燃气厂400 m³，材质为16MnR的氮气球罐为例，在2011年全面检测中发现两处裂纹缺陷，一处长25mm，另一处长16mm。针对这两处缺陷编制适用于本球罐的焊接工艺评定，并根据焊接工艺工艺评定编制焊接工艺卡（表一），经焊接责任工程师审批后实施。

表一焊接工艺卡

产品名称	设备材质	焊条	热处理温度（℃）
400 m³氮气球罐	16MnR	J507	625±25

3.2.1缺陷的去除及坡口加工

根据无损检测所确定的修理位置，在设备罐体上画好返修位置。用气刨将缺陷清除，缺陷清除后将待焊部位加工成宽度均匀、表面平整、便于施焊的凹槽，且两端有圆滑的槽型结构，左右和上下均圆滑过渡，坡口型U型。缺陷清楚后进行渗透检测，确认所有缺陷已经全部清除。施焊前应清除坡口及母材两侧表面20mm范围内的氧化物、油污、熔渣及其他有害物质。且不得有裂纹、夹层等缺陷。

3.2.2焊接及焊缝表面尺寸、外观要求

焊接工艺采用焊条电弧电焊，保证焊透和融合完好的条件下采用小电流、短电弧、快焊速和多层多道焊工艺。焊缝焊完后立应即去除渣皮、飞溅物等，清理干净表面焊缝，然后进行外观检查。不得有裂纹、咬边、气孔、夹渣等缺陷。

3.2.3无损检测

修理后的焊接接头经尺寸形状外观检查合格后进行无损检测。无损检测采取100%射线，Ⅱ级合格；100%磁粉检测，Ⅰ级合格。

3.2.4 压力试验

所有焊缝经无损检测合格后进行水压试验。水压试验要求用水为15℃以上的洁净水，试验压力要缓慢上升，升到试验压力的50％时保持15分钟，再检查。当达到试验压力后，保持30分钟，然后将压力降至设计压力至少保持30分钟，以对所有修理部位进行全面检查，无异常声响、无可见变形和无渗漏为合格。待相关技术负责人、质检员和在建厂现场检查确认后方可泄压放水。注意放水前打开排气孔，以免出现真空。

4.定期检验

4.1定期检验的意义

压力容器的定期检验是指在压力容器使用的过程中，每隔一定期限采用各种适当而有效的方法，对容器的各个承压部件和安全装置进行检查和必要的试验。通过检验，发现容器存在的缺陷，使他们在还没有危及容器安全之前就被消除或采取适当措施进行特殊监护，以防压力容器在运行中发生事故^[3]。
压力容器在生产中不仅长期承受压力，而且还受到介质的腐蚀或高温流体的冲刷磨损，以及操作压力、温度波动等的影响。因此，在使用过程中会产生缺陷。有些压力容器在设计、制造和安装过程中存在着一些原有缺陷，这些缺陷将会在使用中进一步扩展。
显然，无论是原有缺陷，还是在使用过程中产生的缺陷，如果不能及早发现或消除，任其发展扩大，势必在使用过程中导致爆炸事故。
压力容器实行定期检验，是及时发现缺陷，消除隐患，保证压力容器安全运行的重要的必不可少的措施。

4.2无损检测

4.2.1射线检测

作为五大常规无损检测方法之一的射线探伤，在工业上有着非常广泛的应用，它既用于金属检查，也用于非金属检查。对金属内部可能产生的缺陷，如气孔、针孔、夹杂、疏松、裂纹、偏析、未焊透和熔合不足等，都可以用射线检查。应用的行业有特种设备、航空航天、船舶、兵器、水工成套设备和桥梁钢结构。

射线照相法能较直观地显示工件内部缺陷的大小和形状,因而易于判定缺陷的性质,射线底片可作为检验的原始记录供多方研究并作长期保存。但这种方法耗用的X射线胶片等器材费用较高，检验速度较慢，只宜探查气孔、夹渣、缩孔、疏松等体积性缺陷，能定性但不能定量，且不适合用于有空腔的结构，对角焊、T型接头的检验敏感度低，不易发现间隙很小的裂纹和未熔合等缺陷以及锻件和管、棒等型材的内部分层性缺陷。此外，射线对人体有害，需要采取适当的防护措施。

4.2.2超声波检测

超声波检测也叫超声检测，Ultrasonic Testing缩写UT，超声波探伤，是五种常规无损检测方法的一种。超声波探伤是利用材料及其缺陷的声学性能差异对超声波传播波形反射情况和穿透时间的能量变化来检验材料内部缺陷的无损检测方法。当今国内有关的超声波检测标准为JB/T4730.3，GB/T11345-1989，CB/T3559-2011等，JB/T4730.3为一个比较综合性的标准，而后面两个标准为焊缝检测标准，还有其它的的钢板，铸锻件等检测标准，使用者可根据需要进行相应的查询。

超声波探伤优点是检测厚度大、灵敏度高、速度快、成本低、对人体无害，能对缺陷进行定位和定量。超声波探伤对缺陷的显示不直观，探伤技术难度大，容易受到主客观因素影响，以及探伤结果不便于保存，超声波检测对工作表面要求平滑，要求富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类、适合于厚度较大的零件检验，使超声波探伤也具有其局限性。

4.2.3磁粉检测

磁粉探伤利用工件缺陷处的漏磁场与磁粉的相互作用，它利用了钢铁制品表面和近表面缺陷（如裂纹，夹渣，发纹等）磁导率和钢铁磁导率的差异，磁化后这些材料不连续处的磁场将发生崎变，形成部分磁通泄漏处工件表面产生了漏磁场，从而吸引磁粉形成缺陷处的磁粉堆积——磁痕，在适当的光照条件下，显现出缺陷位置和形状，对这些磁粉的堆积加以观察和解释，就实现了磁粉探伤。

磁粉探伤的优点是：对钢铁材料或工件表面裂纹等缺陷的检验非常有效;设备和操作均较简单;检验速度快，便于在现场对大型设备和工件进行探伤；检验费用也较低。缺点是：仅适用于铁磁性材料；仅能显出缺陷的长度和形状，而难以确定其深度；对剩磁有影响的一些工件，经磁粉探伤后还需要退磁和清洗。

磁粉探伤的灵敏度高、操作也方便。但它不能发现床身铸件内的部分和导磁性差（如奥氏体钢）的材料，而且不能发现铸件内部分较深的缺陷。铸件、钢铁材被检表面要求光滑，需要打磨后才能进行。

4.2.4渗透检测

渗透探伤是利用毛细现象检查材料表面缺陷的一种无损检验方法。20世纪初，最早利用具有渗透能力的煤油检查机车零件的裂缝。到40年代初期美国斯威策 (R.C.Switzer)发明了荧光渗透液。这种渗透液在第二次世界大战期间，大量用于检查军用飞机轻合金零件，渗透探伤便成为主要的无损检测手段之一，获得广泛应用。常用的渗透探伤方法有着色渗透探伤、荧光渗透探伤、水洗型渗透探伤、溶剂去除渗透探伤。

渗透探伤操作简单,不需要复杂设备,费用低廉，缺陷显示直观，具有相当高的灵敏度,能发现宽度1微米以下的缺陷。这种方法由于检验对象不受材料组织结构和化学成分的限制。但对于结构疏松的粉末冶金零件及其他多孔性材料不适用。

4.2.5声发射检测

通过接收和分析材料的声发射信号来评定材料性能或结构完整性的无损检测方法。材料中因裂缝扩展、塑性变形或相变等引起应变能快速释放而产生的应力波现象称为声发射。声发射技术的应用已较广泛。可以用声发射鉴定不同范性变形的类型，研究断裂过程并区分断裂方式，检测出小于 0.01mm长的裂纹扩展,研究应力腐蚀断裂和氢脆，检测马氏体相变，评价表面化学热处理渗层的脆性，以及监视焊后裂纹产生和扩展等等。在工业生产中，声发射技术已用于压力容器、锅炉、管道和火箭发动机壳体等大型构件的水压检验，评定缺陷的危险性等级，作出实时报警。

声发射法适用于实时动态监控检测，且只显示和记录扩展的缺陷，这意味着与缺陷尺寸无关。而是显示正在扩展的最危险缺陷。这样，应用声发射检验方法时可以对缺陷不按尺寸分类，而按其危险程度分类。按这样分类，构件在承载时可能出现工件中应力较小的部位尺寸大的缺陷不划为危险缺陷，而应力集中的部位按规范和标准要求允许存在的缺陷因扩展而被判为危险缺陷。声发射法的这一特点原则上可以按新的方式确定缺陷的危险性。因此，在压力管道、压力容器、起重机械等产品的荷载试验工程中，若使用声发射检测仪器进行实时监控检测，既可弥补常规无损检测方法的不足，也可提高试验的安全性和可靠性。同时利用分析软件可对以后的运行安全做出评估。

但由于国内具备声发射检测能力的检测单位较少，受地域限制，我厂并未做过声发射检测。

5.小结

由于特种设备是指特种设备是指涉及生命安全、危险性较大的相关设备，所以特种设备的安全运行就必须摆在首位。想要保证球罐安全运行，就需要做到制造时严格监督质量、运行中实时监测状态，做好定期检验（尤其是全面检验），发现缺陷后及时处理^[4]。本钢燃气厂8台球形储罐最早的投入使用近20年，最新投入使用也有近3年的时间，期间未曾发生过较大设备事故，正是因为做好了以上几点。相信，若能做到把握好源头质量关，加强日常维护保养，严格细化日常操作，选取正确的检测手段并认真对待定期检测结论，定能大大提高在用球形储罐的安全性。