不锈钢球罐定期检验解决方案研究

赵盈国 尹建斌 过世均

（宁波市特种设备检验研究院 宁波 315048）

不锈钢球罐定期检验解决方案研究

赵盈国 尹建斌 过世均

（宁波市特种设备检验研究院 宁波 315048）

不同于碳钢球罐已经成熟的定期检验方案，不锈钢球罐定期检验中可借鉴的检验方案较少。通过分析不锈钢球罐可能的损伤模式，结合各检验检测技术的特点和实际应用中的经验，分析了各检验检测项目在不锈钢球罐定期检验过程中的可行性，提出了一般情况下采用的检验检测项目和特定条件下可以实施的项目，达到优化不锈钢球罐检验方案的目的。

不锈钢球罐 定期检验 检验检测

目前国内制造的球形储罐大部分为碳钢材质，常见的材料有20R、16MnR、15MnVR、15MnVNR等，但近年来为了满足储存介质防腐的需要，一些石油化工和精细化工行业的企业逐渐开始使用不锈钢材质制造的球形储罐，常见材料为304L、316L等，但由于目前不锈钢球罐的设计、制造、检验等方面没有统一的国家标准，而只局限于行业标准，使其在检验检测过程中的依据不足。

另外由于不锈钢与碳钢在物理、化学等方面的不同特性，以前已经成熟的碳钢球罐检验检测项目有部分应用于不锈钢球罐时存在一定的局限性。由于碳钢与不锈钢在损伤模式和检验检测项目方面存在一定的差异，因此针对不锈钢球罐在定期检验过程中的检验检测项目的可行性进行分析，以便针对不锈钢球罐的检验检测进行进一步的探索。

1 损伤模式

为了更好地选择检验检测项目首先必须确定设备的损伤模式。不同于碳钢材质，不锈钢材质在抗腐蚀和韧性方面明显优于碳钢，但它不可能解决所有的损伤和失效，不锈钢球罐的几种主要损伤模式如下。

1.1 腐蚀减薄

不锈钢一般情况下抗腐蚀能力强于碳钢，但是在某些介质和因素作用下，也会产生严重的腐蚀，根据盛装介质的不同，可能产生有机酸腐蚀、环烷酸腐蚀和盐酸腐蚀等。

1.2 环境开裂

奥氏体不锈钢最主要的环境开裂形式为氯化物应力腐蚀开裂，这种损伤一般为材料表面呈现树枝状开裂，无明显的腐蚀减薄。不锈钢球罐一般都在户外露天使用，由于大气中含有Clˉ，它们可能导致不锈钢表面产生表面应力腐蚀，这种腐蚀在沿海和有绝热层的设备中表现更为突出。

在停工期间，设备表面的硫化物腐蚀产物与空气和水反应生成连多硫酸，会对敏化后的奥氏体不锈钢（如熔合区、热影响区等）产生连多硫酸应力腐蚀开裂。

1.3 材质劣化

奥氏体不锈钢球罐的材质劣化一般是由于焊接工艺不合理或者现场焊接操作失误等因素产生的，例如晶粒长大和敏化。这种损伤通常造成强度和塑性的降低。

奥氏体不锈钢还具有明显的加工硬化特性，对亚稳的奥氏体在冷成形加工过程中会诱发向马氏体转变，导致塑性、韧性等性能下降。

1.4 机械损伤

主要损伤形式为过载，它一般是由于操作失误或突发事件造成的。过载会导致设备变形、失稳甚至破裂。

1.5 其他损伤

进料和出料口附近可能产生冲蚀，有异种钢焊接的部位可能产生异种金属焊缝开裂。

除以上五种损伤模式外，还可能有焊缝的制造缺陷、球罐的沉降失稳、材料的铁素体污染等问题存在，在检验检测过程中须根据实际情况确定最合理的检验检测项目以保证危险性缺陷不漏检。

2 检验检测

随着科技的发展，检验检测技术越来越多，如宏观检验、渗透检测、超声波检测、射线检测、电磁涡流检测、声发射检测、理化试验等，因此需要认真分析各个检验检测技术的适用性，既不能盲目地随意增加项目，增加使用单位的负担，更不能任意减少项目，导致无法有效检出危险性缺陷。

2.1 宏观检验

宏观检查是压力容器检验过程中最简单有效的检验方法［1］，它主要是采用目视方法（必要时利用内窥镜、放大镜或者其他辅助仪器设备、测量工具）检验压力容器本体结构、几何尺寸、表面情况（如裂纹、腐蚀、泄漏、变形），以及焊缝、隔热层、衬里等。针对不锈钢球罐的重点检查一般包括以下内容：

2.1.1 结构检验

开孔位置及补强，焊缝的布置及形式，支承或支座的型式与布置，排放装置的设置等。

2.1.2 几何尺寸检验

同一断面上最大内径与最小内径之差，焊缝的对口错边量、棱角度、咬边、余高等。

2.1.3 壳体外观检验

铭牌和标志，内外表面腐蚀，主要受压元件及焊缝裂纹、泄漏、鼓包、变形、机械接触损伤、工卡具焊迹、电弧灼伤，法兰、密封面及紧固螺栓，支座的下沉、倾斜、开裂，支柱的铅垂度，排放装置和泄漏信号指示孔的堵塞、腐蚀、沉积物等。

2.1.4 其他检验

隔热层的破损、脱落、潮湿，非受压元件与球罐本体直接焊接固定的角焊缝等。

2.2 渗透检测

不锈钢球罐通常采用渗透检测发现内外表面裂纹及其他表面缺陷。外表面一般采用溶剂去除型着色渗透检测（溶剂悬浮显像剂）方法；内表面检测时为了获得更高的检测灵敏度一般采用溶剂去除型荧光渗透检测（溶剂悬浮显像剂）。应重点检测应力集中部位、变形部位、宏观检验时发现裂纹的部位、T型接头、接管角接接头、补焊区、工卡具焊迹、电弧损伤处及其他易产生裂纹的部位［1］；另外用于固定支撑结构件的垫板与本体焊接的角焊缝部位由于制造过程中可能未完全按照受压元件的要求去焊接，焊接质量较差，须重点进行渗透检测，发现裂纹等危险性缺陷及时进行处理，以免裂纹扩展到本体母材；使用过程中外表面某些容易积聚雨水的部位也需要根据宏观检验的情况适当进行渗透检测。

2.3 超声波检测

超声波检测作为一种检测焊缝埋藏缺陷的方法，一般用于碳钢材料制造的设备，也可以应用于奥氏体不锈钢球罐的对接焊缝检测。但由于奥氏体不锈钢焊接接头存在晶粒粗大、柱状晶粒且各向异性、与母材存在明显异质界面、焊缝组织受焊接工艺和规范影响大等特点，在超声波检测中会存在一定的困难，例如衰减快、散射大、信噪比低、波形转化等［2］。因此在用超声波检测不锈钢球罐时要满足一些特定的要求来尽量减轻不利因素对检测的影响。

探头：一般选用高阻尼窄脉冲纵波斜探头或双晶纵波聚焦斜探头。在实际检测壁厚为16mm，材料为304L的278m不锈钢球罐中笔者采用了折射角为45°（K=1）、探头频率为2.5MHz的高阻尼窄脉冲纵波单斜探头进行检测。

试块：由于声波在奥氏体不锈钢中的传播比较复杂，因此需要根据球罐焊缝的实际尺寸制作专用的试块。在试块上制作一定数量的同深度、不同水平位置的人工反射体（φ2mm横通孔），测定每个反射体的反射强度，然后利用插值法获得焊缝中被划分的各区域的反射强度，绘制出二维距离波幅表，以此作为评定的基准［3］。

在实际检测厚度为16mm的不锈钢球罐时，利用超声波检测对射线检测发现的一处长度约13mm的坡口未熔合进行实验性复探，测得的数据为长度13.7mm，深度为7.3mm，位置位于中心偏上约3mm处，长度和位置与射线检测基本吻合，深度数值经返修时测量也基本处于测量深度附近。

另外利用超声波原理发展来的相控阵检测技术也可利用到中小厚度不锈钢球罐，但对大厚度设备（如壁厚大于30mm以上）检测还存在很大困难［7］，还需进行进一步的研究探讨来提高相控阵的检测能力。

2.4 射线检测

鉴于目前制造的不锈钢球罐壁厚都不大，一般都处于14～20mm之间，因此利用射线检测不锈钢球罐焊缝时，相对于超声波检测具有以下优点：

1）对现场检测人员的要求不高；

2）可以保证检测的可靠性和灵敏度；

3）检测结果比较直观；

当然射线检测同时也具有一定的局限性，如缺陷深度无法确定、检测时需进行隔离等。

2.5 电磁涡流检测

涡流检测可以发现导电性金属材料和焊接接头表面及近表面缺陷，因此不锈钢球罐焊接接头的表面和近表面裂纹可以通过涡流检测进行快速检测。但常规涡流只适用于检测表面光滑母材上的裂纹，对不锈钢球罐焊缝上的裂纹会因焊缝表面高低不平而出现杂乱无序的磁干扰而无法检测。

针对这些问题，人们研究出基于复平面分析的金属材料焊缝电磁涡流检测技术，这种检测技术允许焊缝表面较为粗糙，因此可用于设备运行过程中的焊缝外表面裂纹的快速检测，也可用于设备停产时的定期检验。当利用这种技术进行停产定期检验的快速检测时，应对可疑缺陷部位进行表面渗透复检，以确定表面裂纹的具体部位和大小［4，5］。

2.6 声发射检测

当不锈钢球罐无法进行开罐检验或对已发现的缺陷监控它的活跃性时，可以利用声发射检测，从而对球罐的结构完整性进行评价［6］。由于球罐材质为不锈钢，因此为了防止试验介质中含有超标的Clˉ导致产生应力腐蚀，在试验前须对试验介质中Clˉ进行化验，保证Clˉ含量不得超过25mg/L。

检测前应与使用单位确认最高试验压力，一般不小于最大操作压力的1.1倍，当工艺条件受限时也不应该低于最大操作压力；升压速度一般不应大于0.5MPa/ min，保压时间一般应不小于10min；声发射检测在达到最高工作压力的50%前开始进行，检测过程一般应进行两次加压循环过程，第二次加压循环最高试验压力p2应不超过第一次加压循环的最高试验压力p1，建议p2=94% p1

［8］；当声发射检测过程中发现可疑危险声发射源时，必须立即停止加载过程，卸载压力到安全范围，利用渗透检测或超声波检测对声发射源部位进行检测，确认此部位无危险性缺陷后方可继续检测过程，若发现危险性缺陷必须按照要求进行返修处理。

2.7 理化试验

理化试验主要包括化学分析或光谱分析、硬度检测、金相分析、铁素体检测等，具体在现场检验过程中需要利用哪种理化试验方法需要根据现场的检验检测结果确定。例如不锈钢球罐有材质劣化倾向，应进行硬度检测，必要时进行金相分析；宏观检验中发现怀疑有铁素体污染的部位需要做铁素体检测等。

3 总结

目前只有少数几个地区有在用的不锈钢球罐，其检验检测工作的开展的还比较少，而保证不锈钢球罐安全使用的一个重要环节就是合理有效的检验检测，对于此类设备需要根据各检验检测项目的特点选用成熟、可靠、灵敏度高的方法。不锈钢球罐定期检验中一般以宏观检验、渗透检测、射线检测为主；当需要对射线检测出的缺陷深度进行定位时可以采用超声波检测；在线检验可以利用电磁涡流检测进行快速检测，也可以利用声发射检测对球罐的结构完整性进行评价。伴随检测技术的发展和工作经验的积累，不断摸索常规检测和新检测方法在不锈钢球罐的应用，使不锈钢球罐的检验检测更加便捷、实用、可靠。

［1］ TSG R7001—2013 压力容器定期检验规则［S］.

［2］ 郑晖，林树青.超声检测［M］.北京：中国劳动社会保障出版社，2008：302-307.

［3］ 张鹰，张延丰，雷毅.奥氏体不锈钢焊缝的超声波检测方法研究［J］.无损检测，2006，28（3）：119-122.

［4］ 陈钢，沈功田.压力容器无损检测——球形储罐的无损检测技术［J］.无损检测，2005，27（1）：27-32.

［5］ 李小亭，沈功田.压力容器无损检测——涡流检测技术［J］.无损检测，2004，26（8）：411-416.

［6］ 沈功田，李金海.压力容器无损检测——声发射检测技术［J］.无损检测，2004，26（10）：523-528.

［7］ 胡栋，等.奥氏体不锈钢焊缝的相控阵超声检测［J］.河南科技大学学报，2013，34（1）：8-11.

［8］ NB/T 47013.9—2012 承压设备无损检测——声发射检测［S］.

Study on Solutions for Regular Inspection of Stainless Spherical Tank

Zhao Yingguo Yin Jianbin Guo Shijun
（Ningbo Special Equipment Inspection Institute Ningbo 315048）

Different from mature regular inspection scheme for carbon steel spherical tank， there is less inspection scheme for reference in stainless steel spherical tanks regular inspection. Through analyzing possible damage modes of stainless spherical tank， and combining characteristics of various inspection techniques as well as the experiences in practical application， this paper examines the feasibility of each inspection item in the process of periodical inspection of stainless spherical tank. Further， the study proposes inspection items which can be applied under general circumstances， and the enforceable items under particular conditions. This paper aims to optimize the inspection plans for stainless spherical tank.

Stainless spherical tank Periodical inspection Inspection and examination

X933.4

B

1673-257X（2015）05-46-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.05.009

赵盈国（1982～），男，本科，压力容器部门责任工程师，主要从事压力容器和压力管道的检验和缺陷分析工作。

2014-12-09）