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[摘要]球罐多用于盛装易燃、易爆的液体或气体，如石油液化气（LPG）、乙烯、丙烯、氧气、氮气、液态氨等。
球罐大多采用中、低强度钢种。如国产16MnR、20R、15MnNbR、16MnDR、15MnVR、07MnCrMoVR及进口钢材的CF-610等钢种。
根据对运行中失效球罐的统计来，泄漏或破裂的球罐失效事故率达2%左右。球罐失效的主要部位是焊缝，产生焊缝破坏的主要原因是裂纹。因此，对球罐现场组焊中焊接裂纹的控制，成为球罐投产后能否安全运行的关键。
[关键词]球罐 冷裂纹 应力腐蚀裂纹
中图分类号： TE972 文献标识码： B 文章编号：
1 焊接裂纹产生的原因
1.1裂纹种类：焊接裂纹主要有以下五种：热裂纹、冷裂纹、应力腐蚀裂纹和层状撕裂。层状撕裂主要关系到出厂的钢板问题，与球罐制作安装无多大关系。因此，施工时主要针对焊接的热裂纹、冷裂纹和应力腐蚀裂纹进行分析和研究。
1.2裂纹分析
1.2.1焊接材料
在焊接材料强度韧性匹配问题上常有三种选择方法：
超强组配，即焊缝强度与母材强度之比大于1；
等强组配，即焊缝强度与母材强度之比等于1；
低强组配，即焊缝强度与母材强度之比小于1；
焊接材料的选择，一般采用超强组配方式，但焊缝强度增高，焊接接头的冲击韧性会降低，冷裂的倾向会加大。在焊接材料的选择上，有人认为，只要焊材的化学成份同母材化学成份相同，就一定适合。其实金属性能取决于组织，尽管焊接前母材与焊材的成份相同，但焊后母材与焊缝的组织却不相同，因此两者的强度及韧性也有较大的差别。
1.2.2母材因素：材质氢含量的增加，使材料脆性升高，硬度增加导致韧性下降，扩散氢量对冷裂纹的产生和扩展起了决定性的作用，含氢量较高，而预热温度不足的情况下，肯定产生裂纹。合金元素对热裂纹中的结晶裂纹产生有很大影响，硫、磷的微量存在也都会增高结晶裂纹的倾向，从许多研究也能证明C、S、P对结晶裂纹影响最大。
1.2.3组装因素：球罐在组装过程中，如果各种尺寸达不到施工规范要求而进行强力组装，就会产生约束应力，焊后应力无法释放，是产生裂纹的重要因素。这种裂纹经常出现在结构复杂、十字缝、环缝等部位。
1.2.4焊接因素：焊接顺序的不合理，易使球体内的应力不能尽最大的释放，而后的残余应力就很大，从而比较容易形成冷裂纹、热裂纹。焊接形成的小缺陷，如表面气孔、弧坑裂纹等，容易产生微裂纹，在球罐加压使用时裂纹容易扩张。球罐焊接采用的焊接方法、焊接线能量的大小、焊接的预热、后热对裂纹的产生也起到很大作用。
1.2.5机械损伤因素：组装临时工夹具部位，其硬度高于其他部位，残余应力也较高，容易产生裂纹。球罐板在运输、压制、组装过程中的碰伤等部位也是容易产生裂纹的地方。球罐机械损伤修补后留有细小的锐角部位在使用过程中也是容易产生裂纹。
1.2.6使用环境因素：球罐具备使用条件投入生产运行后，如操作不当使球罐超压使用；球罐带压在有强烈震动的环境下使用；使用过程中意外敲击球罐；球罐超过检验期使用等都可能产生裂纹。
2 控制措施
2.1材料复验：材料表面不允许有裂纹气泡、夹杂等缺陷； 对球壳板进行逐张超声检测，按JB4730-2005验收，标准不低于Ⅱ级。对进厂的球罐壳板进行复验，其复验数值包括C、P、S的含量必须在质保书规定范围内；对焊接选用的焊材进行复验，要保证其强度必须与母材匹配。通过复验，主要板材、焊材的化学成份、机械性能、含氢量等参数均要达到规范标准要求。
2.2 球罐组装：支柱焊接时，要求球壳板在中间支撑好，成自然状态，焊接采用对称均布焊，多层分道，对线能量的控制与球罐本体焊接的工艺参数一样。焊件的焊接要进行预热、后热及控制其层间温度。组装前对球壳板的几何尺寸检验，详细记录，组装时可以互补壳板的尺寸缺陷。组装时严禁进行强力组装，组装方法是先利用工装夹具组对好，然后进行整体的间隙、错边量和棱角度的测量和调整，直至完全符合规范要求，最后进行整体定位。定位要在小坡口侧，采用与本体焊接相同的工艺，进行定位焊接，定位焊长度采用80—100mm，间距250—300mm。
2.3球罐焊接：
2.3.1焊接工艺：焊接时要根据球罐材质和厚度制定一个切实可行的焊接工艺。制定焊接工艺参数时，特别强调线能量，因为线能量过大会产生一方面输入的热量多，晶界低熔相的熔化越严重，晶界处于液态的时间越长，液化裂纹的倾向就增大；另一方面会引起热影响区过热，使晶粒粗大，会降低焊缝的抗裂性能。而线能量过小会产生一方面增加焊缝金属应变率，从而增加结晶裂纹的倾向；另一方面会降低冷却时间，会使热影响区淬硬，也会不利于氢的逸出，故而增加裂纹倾向。因此须制定线能量的上下限焊接工艺参数。在制定焊接顺序时，尽量使用大多数焊缝能在较小刚度的条件下焊接，使焊缝受力较小。球罐整体的焊接顺序如下：先外侧后内侧，先纵向后横向。焊接的预热应根据球罐材质和厚度制定相应的余热温度和工艺。
2.3.2焊接技术措施：纵向焊缝都采用均布分段退焊法，环焊缝沿等分旋转同向同步焊接。现场焊接时，焊接材料必须进行烘干恒温处理；焊工领用焊条数量要严格控制；焊接环境要达到规范要求；破口附近水分、油污清理干净，焊缝预热温度达到要求。施工员和质量员应严格焊接工艺规范，不停地检查焊工是否按规程进行焊接操作。严禁在坡口外引弧、熄弧。对于不小心电弧碰伤的部位应立即进行打磨，焊前要对坡口进行清理。对每个焊工的线能量进行不停的测量，过大、过小的应立即调整其电流及焊速，控制好线能量。每个焊工焊接收弧时要填满弧坑，避免弧坑裂纹的产生。焊工每天的接头要每道间空2cm以上，打磨后要进行PT检验，看是否有弧坑裂纹存在。在焊缝边上MT检验确定为咬边或裂纹等缺陷需修补时，为避免应力集中，修补长度不得小于50mm，补后焊缝表面应进行打磨，修补处要进行记录，以后要确认表面没有缺陷存在。“T、Y”型接头是应力最集中的地方，应绝对避免在“T、Y”型的交匯处引弧、熄弧，而应在环缝离“T、Y”型距离200mm的地方。
3.球罐裂纹消除
球罐焊接结束后，球罐进行射线检测，根据GB/T4730-2005要求Ⅱ级合格。如发现裂纹应及时进行返修工作。首先应根据底片确定裂纹的大概位置，然后
利用超声波进行具体定位，确定缺陷的具体位置及深度后，进行气刨清除。气刨应从裂纹的两端开始向裂纹中部清除，这样是为了防止裂纹随气刨震动向前延伸。气刨深度达到超生定位的深度，用磨光机清除氧化皮，用渗透检测方法找到缺陷，如未发现缺陷继续用磨光机向深磨除，然后用渗透检测方法找到缺陷，直至找到并清除缺陷。缺陷焊接应小电流多层多道焊，严格控制线能量。焊接结束应立即进行后热处理，处理工艺与时间同正常焊接。
4.结论
球罐安装过程中为了避免裂纹产生，必须制定一套科学的球罐制造和现场安装的施工方案，并且在每一步施工环节中都采取了相应的针对措施，严格质量控制和测量验收。
参考文献：赵仁标 球罐焊接线能量的研究 压力容器 1995 （1）
陈景毅 球罐防裂纹焊接
球罐大多采用中、低强度钢种。如国产16MnR、20R、15MnNbR、16MnDR、15MnVR、07MnCrMoVR及进口钢材的CF-610等钢种。
根据对运行中失效球罐的统计来，泄漏或破裂的球罐失效事故率达2%左右。球罐失效的主要部位是焊缝，产生焊缝破坏的主要原因是裂纹。因此，对球罐现场组焊中焊接裂纹的控制，成为球罐投产后能否安全运行的关键。
[关键词]球罐 冷裂纹 应力腐蚀裂纹
中图分类号： TE972 文献标识码： B 文章编号：
1 焊接裂纹产生的原因
1.1裂纹种类：焊接裂纹主要有以下五种：热裂纹、冷裂纹、应力腐蚀裂纹和层状撕裂。层状撕裂主要关系到出厂的钢板问题，与球罐制作安装无多大关系。因此，施工时主要针对焊接的热裂纹、冷裂纹和应力腐蚀裂纹进行分析和研究。
1.2裂纹分析
1.2.1焊接材料
在焊接材料强度韧性匹配问题上常有三种选择方法：
超强组配，即焊缝强度与母材强度之比大于1；
等强组配，即焊缝强度与母材强度之比等于1；
低强组配，即焊缝强度与母材强度之比小于1；
焊接材料的选择，一般采用超强组配方式，但焊缝强度增高，焊接接头的冲击韧性会降低，冷裂的倾向会加大。在焊接材料的选择上，有人认为，只要焊材的化学成份同母材化学成份相同，就一定适合。其实金属性能取决于组织，尽管焊接前母材与焊材的成份相同，但焊后母材与焊缝的组织却不相同，因此两者的强度及韧性也有较大的差别。
1.2.2母材因素：材质氢含量的增加，使材料脆性升高，硬度增加导致韧性下降，扩散氢量对冷裂纹的产生和扩展起了决定性的作用，含氢量较高，而预热温度不足的情况下，肯定产生裂纹。合金元素对热裂纹中的结晶裂纹产生有很大影响，硫、磷的微量存在也都会增高结晶裂纹的倾向，从许多研究也能证明C、S、P对结晶裂纹影响最大。
1.2.3组装因素：球罐在组装过程中，如果各种尺寸达不到施工规范要求而进行强力组装，就会产生约束应力，焊后应力无法释放，是产生裂纹的重要因素。这种裂纹经常出现在结构复杂、十字缝、环缝等部位。
1.2.4焊接因素：焊接顺序的不合理，易使球体内的应力不能尽最大的释放，而后的残余应力就很大，从而比较容易形成冷裂纹、热裂纹。焊接形成的小缺陷，如表面气孔、弧坑裂纹等，容易产生微裂纹，在球罐加压使用时裂纹容易扩张。球罐焊接采用的焊接方法、焊接线能量的大小、焊接的预热、后热对裂纹的产生也起到很大作用。
1.2.5机械损伤因素：组装临时工夹具部位，其硬度高于其他部位，残余应力也较高，容易产生裂纹。球罐板在运输、压制、组装过程中的碰伤等部位也是容易产生裂纹的地方。球罐机械损伤修补后留有细小的锐角部位在使用过程中也是容易产生裂纹。
1.2.6使用环境因素：球罐具备使用条件投入生产运行后，如操作不当使球罐超压使用；球罐带压在有强烈震动的环境下使用；使用过程中意外敲击球罐；球罐超过检验期使用等都可能产生裂纹。
2 控制措施
2.1材料复验：材料表面不允许有裂纹气泡、夹杂等缺陷； 对球壳板进行逐张超声检测，按JB4730-2005验收，标准不低于Ⅱ级。对进厂的球罐壳板进行复验，其复验数值包括C、P、S的含量必须在质保书规定范围内；对焊接选用的焊材进行复验，要保证其强度必须与母材匹配。通过复验，主要板材、焊材的化学成份、机械性能、含氢量等参数均要达到规范标准要求。
2.2 球罐组装：支柱焊接时，要求球壳板在中间支撑好，成自然状态，焊接采用对称均布焊，多层分道，对线能量的控制与球罐本体焊接的工艺参数一样。焊件的焊接要进行预热、后热及控制其层间温度。组装前对球壳板的几何尺寸检验，详细记录，组装时可以互补壳板的尺寸缺陷。组装时严禁进行强力组装，组装方法是先利用工装夹具组对好，然后进行整体的间隙、错边量和棱角度的测量和调整，直至完全符合规范要求，最后进行整体定位。定位要在小坡口侧，采用与本体焊接相同的工艺，进行定位焊接，定位焊长度采用80—100mm，间距250—300mm。
2.3球罐焊接：
2.3.1焊接工艺：焊接时要根据球罐材质和厚度制定一个切实可行的焊接工艺。制定焊接工艺参数时，特别强调线能量，因为线能量过大会产生一方面输入的热量多，晶界低熔相的熔化越严重，晶界处于液态的时间越长，液化裂纹的倾向就增大；另一方面会引起热影响区过热，使晶粒粗大，会降低焊缝的抗裂性能。而线能量过小会产生一方面增加焊缝金属应变率，从而增加结晶裂纹的倾向；另一方面会降低冷却时间，会使热影响区淬硬，也会不利于氢的逸出，故而增加裂纹倾向。因此须制定线能量的上下限焊接工艺参数。在制定焊接顺序时，尽量使用大多数焊缝能在较小刚度的条件下焊接，使焊缝受力较小。球罐整体的焊接顺序如下：先外侧后内侧，先纵向后横向。焊接的预热应根据球罐材质和厚度制定相应的余热温度和工艺。
2.3.2焊接技术措施：纵向焊缝都采用均布分段退焊法，环焊缝沿等分旋转同向同步焊接。现场焊接时，焊接材料必须进行烘干恒温处理；焊工领用焊条数量要严格控制；焊接环境要达到规范要求；破口附近水分、油污清理干净，焊缝预热温度达到要求。施工员和质量员应严格焊接工艺规范，不停地检查焊工是否按规程进行焊接操作。严禁在坡口外引弧、熄弧。对于不小心电弧碰伤的部位应立即进行打磨，焊前要对坡口进行清理。对每个焊工的线能量进行不停的测量，过大、过小的应立即调整其电流及焊速，控制好线能量。每个焊工焊接收弧时要填满弧坑，避免弧坑裂纹的产生。焊工每天的接头要每道间空2cm以上，打磨后要进行PT检验，看是否有弧坑裂纹存在。在焊缝边上MT检验确定为咬边或裂纹等缺陷需修补时，为避免应力集中，修补长度不得小于50mm，补后焊缝表面应进行打磨，修补处要进行记录，以后要确认表面没有缺陷存在。“T、Y”型接头是应力最集中的地方，应绝对避免在“T、Y”型的交匯处引弧、熄弧，而应在环缝离“T、Y”型距离200mm的地方。
3.球罐裂纹消除
球罐焊接结束后，球罐进行射线检测，根据GB/T4730-2005要求Ⅱ级合格。如发现裂纹应及时进行返修工作。首先应根据底片确定裂纹的大概位置，然后
利用超声波进行具体定位，确定缺陷的具体位置及深度后，进行气刨清除。气刨应从裂纹的两端开始向裂纹中部清除，这样是为了防止裂纹随气刨震动向前延伸。气刨深度达到超生定位的深度，用磨光机清除氧化皮，用渗透检测方法找到缺陷，如未发现缺陷继续用磨光机向深磨除，然后用渗透检测方法找到缺陷，直至找到并清除缺陷。缺陷焊接应小电流多层多道焊，严格控制线能量。焊接结束应立即进行后热处理，处理工艺与时间同正常焊接。
4.结论
球罐安装过程中为了避免裂纹产生，必须制定一套科学的球罐制造和现场安装的施工方案，并且在每一步施工环节中都采取了相应的针对措施，严格质量控制和测量验收。
参考文献：赵仁标 球罐焊接线能量的研究 压力容器 1995 （1）
陈景毅 球罐防裂纹焊接