賀小剛

（北京市特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院，北京 100029）

2000年左右，國內(nèi)乙烯球罐開始廣泛使用07MnNiCrMoVDR鋼建造，該鋼材為壓力容器用調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼，標(biāo)準(zhǔn)最低抗拉強(qiáng)度610 MPa，鋼材（特別是表層）的強(qiáng)度和硬度較高[1]。

該鋼材在原材料冶煉過程中，采取了KR脫硫技術(shù)及RH真空處理等技術(shù)[2]。國內(nèi)學(xué)術(shù)界曾對07MnNiCrMoVDR鋼制乙烯球罐中是否需進(jìn)行整體熱處理存在著不同見解，由于國內(nèi)外壓力容器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對類似鋼材均有熱處理要求，同時(shí)國內(nèi)球罐整體熱處理技術(shù)已成熟，因此07MnNiCrMoVDR鋼制乙烯球罐的建造均按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行了整體熱處理，球罐整體焊后熱處理規(guī)范規(guī)定為（570±20） ℃[3]。熱處理溫度控制在組織急劇變化的溫度臨界值之下，焊后熱處理沒有改變材料原有的機(jī)械性能，即熱處理前后母材硬度基本不變[4]。

鋼材硬度值與其強(qiáng)度存在著一定的比例關(guān)系，對鋼鐵材料來說，其抗拉強(qiáng)度近似等于布氏硬度值的三倍[5]。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，硬度值也可以直接與強(qiáng)度值進(jìn)行對應(yīng)[6]。因此，在壓力容器定期檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的硬度值異常問題，可以結(jié)合材料化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、強(qiáng)度校核等進(jìn)行綜合分析。本文對07MnNiCrMoVDR鋼制乙烯球罐定期檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的硬度偏低問題進(jìn)行了分析處理，給出了定期檢驗(yàn)結(jié)論。本文可為今后同類鋼種球罐檢驗(yàn)提供技術(shù)儲(chǔ) 備。

1 球罐基本情況

對某化工廠一臺(tái)在役乙烯球罐進(jìn)行了定期檢驗(yàn)，該球罐基本信息如表1所示。

表1 球罐基本信息Table 1 General information of spherical tank

本臺(tái)球罐結(jié)構(gòu)為混合式三帶球罐，由30塊球殼板組成，其中赤道帶16塊，上、下溫帶各4塊，上下極板各3塊。

球罐投入運(yùn)行一年后，由某檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了首次開罐檢驗(yàn)，檢驗(yàn)項(xiàng)目包括內(nèi)表面對接焊縫100%熒光磁粉檢測、超聲波檢測，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，安全狀況等級為2級。

最近一次檢驗(yàn)前進(jìn)行了資料審查，重點(diǎn)審查了上次全面檢驗(yàn)以來的球罐運(yùn)行資料，確認(rèn)球罐運(yùn)行平穩(wěn)，無異常情況。

2 檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的問題

檢驗(yàn)前，檢驗(yàn)人員根據(jù)安全技術(shù)規(guī)范制定了檢驗(yàn)方案[7]，檢驗(yàn)項(xiàng)目包括：宏觀檢查、內(nèi)表面焊縫100%熒光磁粉檢測、內(nèi)表面對接焊縫100%超聲檢測、壁厚測定、硬度測定、金相分析（必要時(shí)）、化學(xué)成分分析（必要時(shí)）、耐壓試驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)、安全附件檢驗(yàn)等。

檢驗(yàn)人員按照檢驗(yàn)方案進(jìn)行了宏觀檢查、內(nèi)表面焊縫100%熒光磁粉檢測、內(nèi)表面對接焊縫100%超聲檢測、壁厚測定等均符合要求。硬度測定時(shí)發(fā)現(xiàn)C1、C9兩塊球殼板硬度異常偏低，其余球殼板硬度符合要求。該球罐結(jié)構(gòu)為混合式三帶球罐，C1和C9均為赤道帶球殼板。根據(jù)檢驗(yàn)方案C1和C9球殼板均選取3點(diǎn)進(jìn)行硬度測定，其中1個(gè)硬度測點(diǎn)為球殼板中心附近，另外兩個(gè)硬度測點(diǎn)選取球殼板板邊附近。球殼板C1內(nèi)表面3點(diǎn)硬度值分別為HB 119、HB 125和HB 122；球殼板C9內(nèi)表面3點(diǎn)硬度值分別為HB 132、HB 137和HB140。C1和C9球殼板硬度測定位置如圖1所示。

圖1 球殼板硬度測定位置圖Fig.1 Diagram of hardness measurement position of spherical shell plate

基于材料硬度與抗拉強(qiáng)度的相應(yīng)關(guān)系，將測得的硬度值按照標(biāo)準(zhǔn)《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》中給定的圖表進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的材料抗拉強(qiáng)度分別如表2和表3所示。

表2 球殼板C1內(nèi)表面抗拉強(qiáng)度值Table 2 Tensile strength value of inner surface of spherical shell plate C1

表3 球殼板C9內(nèi)表面抗拉強(qiáng)度值Table 3 Tensile strength value of inner surface of spherical shell plate C9

由表2和表3可見，硬度異常偏低的C1、C9球殼板的抗拉強(qiáng)度明顯低于07MnNiCrMoVDR標(biāo)稱抗拉強(qiáng)度下限值，偏低幅度最大為27.2%。

3 問題分析

3.1 歷次全面檢驗(yàn)報(bào)告的查閱

查看該球罐的首次全面檢驗(yàn)報(bào)告，發(fā)現(xiàn)該球罐球殼板逐張進(jìn)行了硬度測定，且硬度測定結(jié)論為可接受。報(bào)告中C1、C9球殼板的硬度值如下：C1板進(jìn)行了5點(diǎn)硬度測定，硬度值（LD）分別為444、430、429、429、426， C9板進(jìn)行了5點(diǎn)硬度測定，硬度值（LD）分別為420、434、438、436、441。按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1172 《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》，將硬度值轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度值，轉(zhuǎn)換后的材料抗拉強(qiáng)度分別如表4和表5所示。

表4 球殼板C1內(nèi)表面抗拉強(qiáng)度值（首次定期檢驗(yàn)）Table 4 Tensile strength value of inner surface of spherical shell plate C1（First time periodical inspection）

表5 球殼板C9內(nèi)表面抗拉強(qiáng)度值（首次定期檢驗(yàn)）Table 5 Tensile strength value of inner surface of spherical shell plate C9（First time periodical inspection）

由表4和表5可見，C1、C9球殼板的抗拉強(qiáng)度明顯低于07MnNiCrMoVDR標(biāo)稱抗拉強(qiáng)度下限值，偏低幅度最大為14.2%。

為分析硬度偏低原因，檢驗(yàn)人員對C1、C9兩塊球殼板進(jìn)行了主要合金元素含量的化學(xué)成分分析和金相檢驗(yàn)。

3.2 光譜分析

C1、C9兩塊球殼板光譜分析結(jié)果見表6，由于檢驗(yàn)條件所限，只對表中元素進(jìn)行了分析。由分析結(jié)果可知，材料主要合金元素含量滿足07MnNiCrMoVDR合金元素含量的要求[8]。

表6 C1、C9兩塊球殼板光譜分析結(jié)果Table 6 Spectral analysis results of C1 and C9 spherical shell plates

3.3 金相檢驗(yàn)

對C1、C9兩塊球殼板內(nèi)表面進(jìn)行了金相檢驗(yàn)，內(nèi)表面均嚴(yán)重脫碳，其中C1金相組織未發(fā)現(xiàn)馬氏體組織，C9金相組織為鐵素體加少量貝氏體，分別見圖2和圖3。

圖2 C1球殼板內(nèi)表面金相圖Fig.2 Metallographic diagram of inner surface of C1 spherical shell plate

圖3 C9球殼板內(nèi)表面金相圖Fig.3 Metallographic diagram of inner surface of C9 spherical shell plate

4 問題的處理

為評價(jià)該球罐C1、C9兩塊球殼板硬度異常偏低對于球罐強(qiáng)度及安全性的影響，對兩球殼板在表面沿厚度方向打磨一定深度后進(jìn)行硬度測定及金相分析，確定硬度異常偏低沿厚度方向的分布范圍，一旦硬度值達(dá)到07MnNiCrMoVDR材料最低標(biāo)稱抗拉強(qiáng)度對應(yīng)的硬度值，就確定了硬度偏低的邊界。同時(shí)要求打磨形成凹坑光滑、過渡平緩。

4.1 硬度偏低邊界的確定

C1、C9內(nèi)表面分別打磨0.75 mm、1.5 mm、2.0 mm后進(jìn)了硬度測定，硬度值見表7和表8，C9外表面分別打磨0.8 mm、1.4 mm、1.9 mm、2.2 mm和2.5 mm后進(jìn)行了硬度測定，硬度值見表9。

表7 C1球殼板內(nèi)表面硬度測定值Table 7 Hardness value of inner surface of C1 spherical shell plate

表8 C9球殼板內(nèi)表面硬度測定值Table 8 Hardness value of inner surface of C9 spherical shell plate

表9 C9球殼板外表面硬度測定值Table 9 Hardness value of outer surface of C9 spherical shell plate

按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1172 《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》，將硬度值轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度值，轉(zhuǎn)換后的材料抗拉強(qiáng)度分別見表10、11、12。

表10 C1球殼板內(nèi)表面不同深度材料抗拉強(qiáng)度值Table 10 Tensile strength values of material at different depths on the inner surface of C1 spherical shell plate

圖4 C1球殼板內(nèi)表面抗拉強(qiáng)度隨打磨深度的變化趨勢Fig.4 Variation Trend of tensile strength of inner surface of C1 spherical shell plate with grinding depth

表11 C9球殼板內(nèi)表面不同深度材料抗拉強(qiáng)度值Table 11 Tensile strength values of material at different depths on the inner surface of C9 spherical shell plate

圖5 C9球殼板內(nèi)表面抗拉強(qiáng)度隨打磨深度的變化趨勢Fig.5 Variation Trend of tensile strength of inner surface of C9 spherical shell plate with grinding depth

表12 C9球殼板外表面不同深度材料抗拉強(qiáng)度值Table 12 Tensile strength values of material at different depths on the outer surface of C9 spherical shell plate

圖6 C9球殼板外表面抗拉強(qiáng)度隨打磨深度的變化趨勢Fig.6 Variation Trend of tensile strength of outer surface of C9 spherical shell plate with grinding depth

由上述C1、C9球殼板硬度隨打磨深度的變化趨勢可知，硬度異常偏低的球殼板表面損傷范圍，C1不超過表層2.0 mm，C9外表面不超過表層1.9 mm，C9內(nèi)表面不超過表層2.8 mm。

4.2 打磨后球殼板金相檢驗(yàn)

C1、C9球殼板內(nèi)表面打磨2.5mm后進(jìn)了金相檢驗(yàn)，金相組織為鐵素體+貝氏體，未見異常劣化，分別見圖7和圖8。

4.3 硬度異常偏低原因分析

圖7 C1球殼板內(nèi)表面打磨2.5 mmFig.7 Metallographic diagram of grinding depth 2.5 mm for the inner surface of C1 spherical shell plate

圖8 C9球殼板內(nèi)表面打磨2.5 mmFig.8 Metallographic diagram of grinding depth 2.5 mm for the inner surface of C9 spherical shell plate

通過對兩球殼板在厚度方向打磨一定深度后進(jìn)行的硬度測定及金相分析，確認(rèn)經(jīng)過打磨后脫碳現(xiàn)象有逐步減少至最終消失的變化趨勢，C1、C9硬度異常減薄僅局限于球殼板內(nèi)外表面的沿厚度方向一定深度內(nèi)，而不是整個(gè)厚度方向全部劣化。

球罐使用過程中未發(fā)生過受火等異常情況，排除使用過程中造成的材質(zhì)劣化，推斷原因可能是球殼板所用材料制造過程本身遭受過異常受熱過程所導(dǎo)致的表層脫碳現(xiàn)象。

4.4 球罐整體強(qiáng)度校核

C1、C9球殼板壁厚測定值見表13?？紤]到C1、C9兩塊球殼板硬度偏低的范圍邊界，保守地假設(shè)球罐球殼板內(nèi)外表面共5.0 mm厚度范圍內(nèi)材料不承壓，以實(shí)測壁厚計(jì)算球罐有效壁厚為33.43 mm，強(qiáng)度校核過程如表13所示。

表13 C1、C9球殼板壁厚測定值Table 13 Measured wall thickness of C1 and C9 spherical shell plates mm

強(qiáng)度校核選用標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 12337—2014《鋼制球形儲(chǔ)罐》[9]；校核參數(shù)取值說明如下：

δ——球殼計(jì)算厚度，mm；

Pc—— 計(jì)算壓力，MPa，取 2.2+7 159×453×9.81/109= 2.232 MPa ，C1、C9赤道板液柱高度7 159 mm；

Di——球殼內(nèi)直徑，mm，取φ=12 300 mm；

[σ]t—— 設(shè)計(jì)溫度下球罐材料的許用應(yīng)力，MPa，取226 MPa（已經(jīng)扣除不合格材料部分厚度）；

φ——焊接接頭系數(shù)，取1.0；

C—— 至下次檢驗(yàn)周期的腐蝕量，mm，取0 mm（腐蝕量已經(jīng)包含在扣除不合格材料部分厚度內(nèi)）。

校核計(jì)算厚度：δ=Pc·Di/ （4[σ]tφ-Pc） = 2.232×12 300/4×226×1 - 2.232） = 30.45 mm，與SW6中球罐赤道板計(jì)算厚度計(jì)算結(jié)果一致。

球罐有效壁厚大于這兩塊殼板的設(shè)計(jì)厚度，滿足強(qiáng)度要求。

該球罐由8根支柱支撐，C1和C9球殼板均不帶有支柱，因此不需對C1和C9球殼板與支柱連接最低點(diǎn)a進(jìn)行應(yīng)力校核[9]。

該球罐按照檢驗(yàn)方案要求進(jìn)行了宏觀檢查、內(nèi)表面焊縫100%熒光磁粉檢測、內(nèi)表面對接焊縫100%超聲檢測、壁厚測定（強(qiáng)度校核）、硬度測定、金相分析、化學(xué)成分分析、耐壓試驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)和安全附件檢查，檢驗(yàn)結(jié)論符合要求。

5 結(jié)論

（1）該球罐下次定期檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)對硬度異常偏低球殼板再次進(jìn)行硬度測定，檢驗(yàn)?zāi)覆牟馁|(zhì)狀況。

（2）容器定期檢驗(yàn)硬度測定后，可以根據(jù)國標(biāo)GB/T 1172《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》，將硬度值轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)度值，判定是否符合要求。