某水電廠空氣儲罐人孔門焊縫裂紋原因分析與處理工藝

向 華，吳正發

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410076）

1 引言

某水電廠氣系統空氣儲罐為II 類立式固定壓力容器，設計壓力9.2 MPa，焊縫系數1.0，儲罐公稱直徑DN800，筒體材質Q345R，壁厚26 mm。接管材質20 號，接管規格：108×6 mm。人孔門帶補強圈，補強圈材質Q345R，厚度26 mm，外徑760 mm?？諝鈨迣嶋H運行時，最大壓力7.9 MPa，壓力變化范圍7.3～7.9 MPa。

2020 年氣系統空氣儲罐檢修時，無損檢測發現人孔門外側和內側焊縫（D 類焊縫）超標缺陷10 條，總長度約397 mm。其中裂紋8 處，人孔門外側焊縫單條裂紋長度達100 mm，人孔門內側焊縫最大尺寸裂紋長度達90 mm。壓力容器人孔門焊縫裂紋危害性極大，嚴重危害空氣儲罐安全運行，應對裂紋的情況和產生原因進行分析，采取有效措施，保證空氣儲罐和機組正常運行。

2 空氣儲罐人孔門焊縫裂紋情況

2020 年06 月，某水電廠對氣系統1 號空氣儲罐檢修，無損檢測發現人孔門外側焊縫（補強圈內側位置焊縫）2 處超標缺陷，編號外1 號、外2 號見圖1，其中外1 號為裂紋，形貌見圖2。人孔門內側焊縫檢測發現8 處超標缺陷，分別編號內1 號～內8 號見圖3，其中內1 號～內7 號為裂紋，內8 號為焊縫內部超標缺陷。內3 號裂紋形貌見圖4，內6號裂紋形貌見圖5。超標缺陷尺寸和特點見表1。

表1 某水電廠空氣儲罐人孔門焊縫超標缺陷

外1 號裂紋與焊縫內部缺陷（判斷為原始制造缺陷）連接，貫穿整個人孔門補強圈板厚度。內3號裂紋和內8 號缺陷正投影重合，可能連接在一起。外1 號和內3 號裂紋是人孔門內、外側焊縫兩處長度最大的裂紋，均位于焊縫焊接熔合線區域，外1 號、內2 號和內4 號～內7 號均位于焊縫上。內6 號裂紋呈“工”字型形貌，其他裂紋呈橫向，基本位于焊接搭接位置，判斷為焊縫表面裂紋，可能為焊接搭接未熔合，外2 號缺陷宏觀可見為焊接搭接位置超標缺陷。

圖1 空氣儲罐人孔門外側焊縫超標缺陷示意圖

圖2 外1 號裂紋形貌

圖3 空氣儲罐人孔門內側焊縫超標缺陷示意圖

圖4 內3 號裂紋形貌

圖5 內6 號裂紋形貌

3 裂紋產生原因

綜合分析空氣儲罐投運年限，運行狀況，現場查看焊縫成形質量和缺陷產生的位置，判斷人孔門焊縫缺陷產生主要有以下幾個原因：

（1）焊接工藝不合理，焊接質量差是造成裂紋缺陷的主要原因。本次發現人孔門內、外側焊縫最大尺寸裂紋的位置，均在焊縫內部發現焊接超標缺陷。其他裂紋和表面超標缺陷基本位于焊接搭接位置，判斷為焊接搭接未熔合。人孔門內側焊縫表面成形質量差，存在明顯咬邊、未焊滿缺陷，并且焊縫未圓弧過渡，焊縫高度參差不齊。焊縫熔合線區域是焊縫最薄弱位置，應力集中區域，焊縫咬邊、未焊滿、未熔合、焊縫余高不均等會進一步加劇應力集中，在空氣儲罐運行過程中，裂紋容易在上述焊接缺陷位置萌發和擴展。

（2）由于結構和幾何尺寸的變化，壓力容器人孔門接管補強圈位置會產生較大的應力梯度和復雜應力分布，同時由于在孔邊的明顯應力集中現象，使得補強圈區成為最薄弱的環節之一[1]。另外，空氣儲罐人孔門接管補強圈為單面V 型坡口，容易產生未清根缺陷，成為裂紋萌發源，并擴展至焊縫表面?，F場檢測發現大量焊縫根部超標缺陷，外1 號裂紋與內部超標焊接缺陷連接，貫穿補強板厚度。

（3）空氣儲罐出廠驗收檢驗不嚴謹，只對A 類、B 類焊縫進行檢測，未對人孔門D 類焊縫進行檢測。電廠對 人孔門等D 類焊縫檢驗重視不夠，按照行業規則放松了人孔門焊縫驗收檢驗程序和質量控制要求[2]，查驗電廠存檔的驗收資料，沒有人孔門焊縫無損檢測相關資料。

4 處理思路和焊接工藝

4.1 處理思路

由于人孔門補強圈單坡口焊縫，制造過程中無法避免存在焊接缺陷，不可能對整條補強圈內側焊縫全部剖挖和重新焊接，故此次修復不可能徹底解決人孔門焊縫制造中所遺留的問題，從控制焊接工藝、焊縫內部質量和焊縫成形等方面提高焊縫修復質量[3]，并且通過加強使用管理和技術監督等方面制定處理思路和預防措施。

（1）提高焊接工藝，保證焊接質量。制定合理的焊接工藝，選用高水平焊工，保證焊接質量。返修位置的焊縫內部不允許存在未熔合、未焊透和裂紋等。對原來焊縫咬邊、未焊滿的區域修磨和補焊處理。

（2）控制焊縫表面成形質量和尺寸。焊縫表面成形質量和尺寸符合標準要求，不存在咬邊、未焊滿、裂紋等缺陷，焊縫進行修磨，去除多余的焊接余高，進行圓弧過渡處理，并且經過無損檢測驗收合格，無焊接搭接未熔合缺陷。

（3）加強使用管理和技術監督。按照國家標準和行業標準要求，及時開展空氣儲罐定期安全檢測，年度檢查和定期檢驗。將發現缺陷的焊縫區域列為下一個周期檢測（檢查）的重點項目和位置。對其他空氣儲罐開展同位置的專項檢測，同時應創造條件，對空氣儲罐開展內部表面缺陷檢測，以發現和及時處理可能存在的缺陷。

4.2 焊接工藝

（1）缺陷確認。返修前，對裂紋及其附近區域進行磁粉檢測，確認裂紋位置、尺寸。外1 號和內3 號使用超聲波檢測，確認其走向和深度，并做好記錄，作為返修的依據。

（2）裂紋清除和坡口制備。采用“碳弧氣刨+角磨機”方式打磨清除缺陷。清除前，將人孔接管外側、罐體內側焊縫周圍150 mm 范圍內的油漆涂層、鐵銹、油污等雜物清理干凈，必要時用角磨機打磨至金屬光澤。

人孔門接管補強圈內側位置外1 號、外2 號缺陷清除步驟如下：1）碳弧氣刨前，用噴槍對整個補強圈和焊縫加熱，并對補強圈進行錘擊。碳弧氣刨沿裂紋方向分層次進行刨削，每次刨削深度不超過5 mm，每一次刨削完成后目視檢查裂紋分布及走向。2）經目視檢查無裂紋后，再磁粉檢測是否還存在缺陷。若存在裂紋，則繼續刨削至裂紋完全清除。3）裂紋清除后，修制坡口，坡口型式見圖6。坡口修制完成后，再次磁粉檢測，確定缺陷已徹底清除。

內1 號～8 號缺陷處于壓力容器內部，使用角磨機打磨清除?？紤]到其缺陷多，且性質有差別。內3 號裂紋位于熱影響區熔合線區域，內8 號缺陷為焊縫內部超標缺陷，其他缺陷為焊縫表面裂紋且多位于焊接搭接位置，清除具體步驟如下：1）打磨前，對缺陷位置進行標記，防止切削后弄錯混淆。2）首先整條焊縫進行打磨，對所有缺陷進行第一次清理，打磨深度不超過5 mm，然后對包括內3 號在內的還存在的缺陷和裂紋進行重點清除。打磨時長度應沿裂紋兩端方向各延伸50 mm。3）修制坡口時，應對坡口范圍內進行全部打磨，角磨機打磨切削厚度不小于1 mm，坡口兩側（母材和原焊縫側）不少于20 mm。所有焊接坡口應磁粉檢測驗收合格。4）嚴禁隨意進行切削，以免造成弧坑過深過寬，使焊接時焊縫過寬。蓋面時焊縫寬度不大于20 mm 為宜。

圖6 坡口形式和尺寸

（3）焊接過程。采用手動焊條電弧焊方法，擺動進焊。焊接規范參數見表2。

1）焊接前，清除補強圈、坡口及附近母材的油漆涂層、油、水、銹等影響焊接質量的有害雜質，并對焊接坡口周圍罐體母材進行防護。

2）每道焊施焊前應進行焊前預熱，預熱溫度不低于100℃，最高不高于300℃.連續施焊時道間溫度應不高于300℃。焊條預先加熱，放于保溫桶中密封保溫，隨用隨取，嚴禁暴露于空氣中。

3）施焊過程應按照如下要求：①嚴禁在坡口之外的母材表面引弧和試驗電流，防止電弧擦傷母材。②保證起弧和收弧處的質量，收弧時應將弧坑填滿，多層焊的層間接頭要錯開。③每道焊縫應一次焊完，當因故中斷時，應根據工藝要求重新起焊，防止產生裂紋。再次焊接前應檢查焊層表面，確認無裂紋時，方可按原工藝進行焊接。④焊縫分層按道循序焊接，焊接順序為先焊接一層一道，再焊接二層一道、二道，之后再焊接三層一道、二道，直至焊接完成，焊縫所需焊層焊道應根據施焊具體需要。

表2 焊接規范參數

（4）焊后熱處理。1）焊完后立即去除渣皮、飛濺物，清理干凈焊縫表面，采用進行履帶式電加熱保溫。焊后保溫溫度為200～350℃，保溫時間不得少于2 h。2）整條焊縫焊接完成后或因本次本道焊完成后無法再繼續進行施焊時，按照1）中要求已完成焊縫應立即進行焊后保溫。

（5）焊接后無損檢測。1）焊縫外觀尺寸和質量經宏觀檢查合格，應符合國家和行業標準規范的規定，焊縫高度不低于母材料表面，焊縫應與母材凹形圓滑過渡，焊縫寬度不大于20 mm。焊縫及熱影響區無咬邊，無夾渣、弧坑、氣孔和裂紋等缺陷。2）冷卻至室溫24 h 后，外1 號、內3 號和內8 號補焊后區域應進行磁粉檢測和超聲波檢測合格，其他位置裂紋處理后應進行磁粉檢測合格。返修位置無損檢測I 級驗收合格。

5 技術監督建議

水電廠（站）空氣儲罐是機組重要組成部分，主要給調速器壓油槽、氣閘等供氣，一旦由于裂紋等缺陷導致漏氣，甚至爆裂，將嚴重危害機組安全運行，應按照標準開展使用管理和技術監督。

（1）壓力容器至少每月進行一次定期安全檢查，每年對所使用的壓力容器至少進行一次年度檢查，并按照評定的安全等級及時開展定期檢驗[4]。

（2）對具備開罐進入內部檢測的壓力容器，應進行內部表面缺陷檢測，尤其加強人孔門內側焊縫和各種管、閥門座與筒體連接角焊縫表面裂紋檢測。鐵磁性材料致壓力容器表面缺陷檢測應優先選用磁粉檢測。對不具備開罐內部檢測條件的壓力容器，可以在外表面采用其他方法對內表面進行檢測[5]。

（3）本次檢測發現裂紋和其他缺陷的焊縫位置應作為日常巡查重點，并列入下一周期年度檢查和定期檢驗的必檢位置。結合檢修安排，對廠里所使用的空氣儲罐相同位置開展全面專項檢測，以便及時發現和處理可能存在的缺陷。

6 結語

（1）某水電廠氣系統空氣儲罐人孔門焊縫發現大量裂紋和內部超標缺陷。最大尺寸的裂紋分布在熔合線區域，其他位置的裂紋分布于焊接搭接區域。裂紋從焊接熔合線薄弱區域、焊接未完全熔合搭口處萌發和擴展。

（2）焊接工藝不合理，焊接質量差是本次裂紋產生的主要原因?？諝鈨尥鈧热丝籽a強圈存在較大應力梯度和復雜應力分布，孔邊存在明顯應力集中現象，是最薄弱的環節之一。人孔門補強圈焊縫為單面V 型坡口，焊縫內部存在焊接缺陷?？諝鈨奕丝组T內側焊縫表面成形差，未做表面凹形圓弧過渡，外形尺寸不符合要求，余高過高且參差不齊，存在咬邊、未焊滿、焊接搭接未完全熔合等缺陷。焊縫熔合線區域是焊縫最薄弱位置，上述缺陷位置進一步加劇應力集中，在儲罐運行過程中，裂紋在上述焊接缺陷位置萌發和擴展。

（3）通過改善焊接工藝，提高焊接質量，加強使用管理和技術監督等措施來處理和預防空氣儲罐人孔門焊縫裂紋問題。