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120m3氧气球罐检验与失效分析  　　1 前言　　一拖集团120 m3氧气球罐是用于平衡氧气顶吹转炉炼钢时用氧量高峰与低谷波动的关键设备，1975年投用，长期使用过程中产生了大量裂纹，总长达3785 mm。本文就其历次检验情况予以介绍并对使用中产生的裂纹原因进行简要分析。 　　2 球罐概况　　一拖集团120 m3氧气球形储罐是由石油一公司金属结构厂于1975年3月制造，1975年7月～10月组装。其设计图纸是借用上海求新机器厂图纸进行复制。罐体材质为15MnVNR，罐壁厚38 mm。焊接施工为手工焊，焊材为沪产5064、5073焊条。球罐无原始技术资料，无组装纪录，亦无铭牌。球罐外形结构见图一。 　3 检验情况　　自1981年至今，对120 m3氧气球罐共进行了6次开罐检验，历次检验结果综合如下：  　　2.1 宏观检验　　2.1.1 罐内机械损失160余处，罐外150余处，多数为卡具割除焊疤，以及打磨后形成表面凯坑，最大长度260×15 mm，一般长度为100 mm，最深5 mm，一般深1 mm。　　2.1.2 制作检验样板对成型尺寸进行检查：错边量3～8 mm。棱角度6 m；焊缝咬边超标；焊疑成型不良，余高达6 mm，焊缝过渡不圆滑，上大环是最后合拢缝，焊疑边缘与与球壳板几成90°角，最大错边量、棱角度亦产生在此部位。　　2.1.3 由于氧气无腐蚀性，球罐内壁刷有无油防锈环氧树脂漆，故未见腐蚀产生。　　2.2 超声波测厚检查　　该球罐原设计壁厚38 mm，实测最大厚度39.2 mm，最小厚度36.3 mm。　　2.3 焊缝表面磁粉探伤检查　　1989年，对焊缝内外表面及热影响区进行100%磁粉探伤检查，内外部缺陷56处，总长2590 mm(后经焊缝表面打磨消除缺陷，复探合格)。1993年未发现缺陷。1996年发现上大环内表面产生裂纹两条：长1415 mm裂纹，打磨深度4.5～8 mm；长240 mm裂纹，打磨深度2.5～4.5 mm。2001年发现上大环内表面裂纹9条，总长2130 mm，最长710 mm。裂纹分布情况见图2。 　　2.4 焊缝超声波探伤检查　　超声波检查发现超标缺陷56处，总长7430 mm，深度8～32 mm(探测面为外表面)。　　2.5 焊缝射线探伤检查　　1989年采用同位素铱-192射线对超声检验超标缺陷处复探，拍片81张，其中Ⅲ级片13张，Ⅳ级片11张，占拍片总数29.6 %。缺陷为条渣和气孔，属制造缺陷，焊缝未返修。1993年、2001年γ射张复查未见扩展。　　2.6 硬度检查　　焊道硬度 HB180-203　　热影响区 HB167-215　　母 材 HB143-185　　由此可见，焊道及热影响区硬度局部偏高。　　2.7 金相检查　　对裂纹处进行金相检验，其焊道显微组织为回火索氏体+网状、针状铁素体；热影响区为回火索氏体；母材为铁素体+球光体。　　2.8 声发射检查　　1996年，由河南省锅炉压力容器检测中心与长城铝业公司对球罐进行声发射检测，未发现缺陷扩展声发射源信号。 3 球罐裂纹成因分析　　3.1 经以上检验，该球形储罐建造质量不良，焊缝错边量、棱角度、焊缝余高严重超标，焊缝内部也存在大量超标缺陷。　　3.2 球罐上大环处焊缝的应力分析　　球罐上大环处焊缝的应力主要包括整体薄膜应力σ1、焊缝开头不连续引起的局部应力σ2、焊接残余应力σr。　　均匀分布的σ1：　　σ1=Pw(Di+δ)/4δ (1)　　式中Pw--球罐工作压力 2.5 MPa　　 Di--球罐内身直径 6100 mm　　 δ--球片厚度 38 mm　　代入式(1)得σ1=101MPa。　　焊缝错边量、棱角度超标(考虑焊缝余高超标因素)引起的局部应力σ2(按CVDA-84规范)：　　σ2=[3(W+h)/δ+0.5] σ1 (2)　　式中(W+h)--最大棱角度 (8+6)mm　　代入式(2)得σ2=162 MPa。　　焊接残余应力σr:　　用焊接当量拉应力σ3表示　　σ3=αrσs (3)　　式中σs--材料屈服强度为 410 MPa　　对于球罐表面及补焊处取αr=0.6(按CVDA-84)，代入式(3)得σ3=246 MPa。　　球罐焊缝主应力σ=σ1+σ2+σ3=509 MPa，已超过材料的屈服极限值。　　3.3 氧气顶吹转炉炼钢治炼周期一般为40 min，其中吹氧时间约占整个周期的一半。一拖集团氧气球罐工作压力由2.0 MPa至2.5 MPa逐级升压，在供氧后球罐氧气压力迅速降至2.0 MPa，即氧气压力在2.0～2.5 MPa之间呈周期性剧烈波动，氧气球罐随的是交变循环载荷，其破坏形式为低循环疲劳破坏。