加氢站储氢式压力容器定期检验的对策

石亚超

（曲靖市质量技术监督综合检测中心，云南 曲靖 655000）

0 引言

储氢式压力容器作为加氢站的核心设备，承担着优质氢气的存储和输送任务。然而，由于其介质和使用环境的特殊性，储氢容器的定期检验就变得尤为重要。曲靖市质量技术监督综合检测中心作为社会公益性技术检验检测机构，本着服务企业，为企业提供有力的技术支持和安全保障，应积极采取对策，分析其特殊性并制定专业性和针对性的检验方案，确保储氢容器的安全可靠运行。

1 加氢站储氢式压力容器材料特性及金相硬度检测方法

1.1 07MnCrMoVR 低合金钢的特性

相比普通低合金钢，该钢种具有高强度和低裂纹敏感性，其优点在于焊前不预热或稍加预热（约50℃）而较少生成裂纹，具有优良的焊接性能和韧性。由于其物理化学特性的优越性，低合金高强度钢被广泛应用于制造各类压力容器。但是，屈服强度450MPa 以上或抗拉强度540MPa 以上的钢种特别值得注意。由于球罐均为现场制造，在焊接过程中为防止产生焊接裂纹，往往需要采取焊前预热措施，又因焊接工艺复杂、施工困难和环境条件恶劣等因素影响，使得焊接裂纹难以避免。经过大量的数据和理论的支持，对该材料制造的球罐从安装过程到使用环节，必须严格控制原材料质量和现场组焊工艺，焊后进行整体消除应力热处理，定期检验环节重点检测内表面的氢腐蚀情况、应力腐蚀裂纹及其他各种氢损伤问题的产生情况就变的尤为重要了。在该2000 立方球罐（第三类）储氢的特殊场景下，需要特别关注以下特性。

1.1.1 腐蚀性

特定介质环境下，低合金钢的抗腐蚀性较其他材料略高，特别是在临氢环境中的腐蚀速率一般随温度的增高、氢分压增大而增大，并伴随有裂纹产生。因此，在检验过程中需要重点关注容器内表面的腐蚀情况。

1.1.2 可靠性

低合金钢的焊接性能较好，能够满足高压容器的制造要求。但该钢种在焊接过程中受环境影响易产生各种裂纹及其他缺陷，也会因热处理工艺问题导致各种热、冷裂纹的产生。因此，在制造安装过程中监督不严就有可能失控，而失控导致的后果是严重的。

1.1.3 强度

低合金高强度钢会应过高的强度，导致容器在制造和使用环节中出现大量的裂纹，增大事故发生的风险。因此需要在制造过程中通过热处理等方式控制并降低其强度，同时在定期检验过程中也要重点关注因材料的强度状况变化或应力集中导致的裂纹产生，并且对应力集中部位或进出口管直接冲刷的部位进行重点检测。

1.2 化学成分分析、金相、硬度检测及无损检测方法的原理和步骤

光谱分析法是指各种元素在高温、高能量的激发下都能产生自己特有的光谱，根据元素被激发后所产生的特征光谱来确定金属的化学成分及大致含量的方法。

金相检测是通过对材料表面精细化处理以后，用电子显微镜直接观测材料内部组织结构变化，从而判断材质是否在使用过程中出现异常。

而硬度检测则是通过专业的检测仪，在材料试样上施加一定的力，通过测量试样表面形变或破坏来确定材料的硬度，其检测方法快速、便捷、无破坏性，测量数据准确。

以本次检验为例，提出各类检测方法的原理和步骤。

1.2.1 化学成分分析

在该球罐母材及焊缝热影响区具有代表性的部位各选取几个点进行光谱检测分析（去掉表层1mm 检测），对比材料化学成分和原材料化学成分对比。

1.2.2 金相检测的样品制备

首先选择球罐内表面具有代表性的部位，进行打磨和抛光处理，直到制备出符合标准要求的金相试件区域。在制备过程中，需要注意避免过度磨合。

1.2.3 金相显微观察

将制备好的金相位置架上电子金相显微镜进行观察。通过金相显微镜观察内表面的组织结构以及材料使用过程中出现的组织性能变化和损伤形态。

1.2.4 选取测量点

在观察过程中，选择符合标准的测量点，然后将其进行标识定位、拍照、记录。通常，测量点应位于试件相同的组织结构、相同的显微组织和外观上的相同部位[1]。

1.2.5 硬度测量

通过硬度计进行测量，顺着球壳板的编号进行硬度值的测量。详细记录测量的部位和数值，检测部位需具有代表性，方便数据汇总后进行比对。

2 加氢站储氢式压力容器可能出现的损伤模式

定期检验是确保该类容器安全运行的重要环节。在定期检验中，需要关注该容器可能出现的各种损伤模式，以及对容器性能和安全使用状况的影响。针对此球罐，阐述以下典型的损伤模式，并举例说明。

2.1 氢腐蚀

在定期检验中，腐蚀是最为常见的一种。该球罐在使用一个周期后首次开罐检验，容器内壁发现一些轻微的腐蚀裂纹。通过金相显微镜检测和化学分析，确认这些腐蚀裂纹是由于应力腐蚀和氢分压过高导致的腐蚀损伤。

测量环境湿度和温度，对腐蚀裂纹表面进行取样分析，了解腐蚀环境的特点。根据腐蚀损伤的特点，选择适当的防腐措施。例如使用防腐涂层、防腐封闭剂、加前置过滤干燥器等方法来缓解或消除腐蚀，对已经受到腐蚀损伤的部位进行清洗和修复。

2.2 疲劳

由于加氢站储氢压力容器在循环荷载下不断发生应力的变化，容器壁可能会因制造缺陷出现疲劳裂纹。长期使用和高负荷的工况会使得疲劳裂纹逐渐扩展，最终导致容器的破裂。该球罐又采用低合金高强度钢作为材料，在加氢站的使用过程中，可能遭受较大的压力变化。通过定期检验发现，球罐内表面已经出现一系列微小裂纹[2]。

2.3 基础沉降

基础沉降是指容器基础地基土层在附加应力作用下，发生的局部塌陷或开裂等变化。特别是不均匀的沉降，对此类大型设备影响最为严重。不仅对设备的支柱容易产生变形导致设备发生倾斜，也严重影响容器的稳定性，增加容器失效的风险。该球罐在检验过程中，发现有2 根支柱的基础表面出现了一些明显的裂纹，水泥地基的塌陷。为进一步分析和解决这一问题，曲靖市质量技术监督综合检测中心对该球罐的支柱进行垂直度测量和沉降测量，确定变形程度。利用光学测量全站仪和三维扫描技术，对变形量和沉降度进行量化测量和分析，以评估其对容器强度和稳定性的影响。

传感器量程的选择可根据设备的最大称量值、选用传感器的数量、设备的自身质量和发生的最大偏载及动载等要素归纳评估来判定[2]。一般来说，传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。但在实际运用时，加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在设备自身质量、包装质量、偏载及振动冲击等载荷，因而选用传感器量程时，要考虑诸多方面的要素，确保传感器的安全和寿命[3-4]。

2.4 冲击

冲击会导致容器壁出现裂纹、或与容器相连接的接管的破碎或脱落等，严重时会导致容器的破裂或爆炸。由于该企业附近近期遭受过一次常压设备爆炸的影响，本次检验怀疑球罐会到较大的冲击力，导致了部分变形和裂纹的出现。为验证这一问题，此次定期中对该球罐朝向受影响面一侧进行了细致的外观检查，在发现有冲击损伤后，使用无损检测（TOFD+MT 检测方法）对容器外表面焊缝进行检测，定性定量评估损伤程度和裂纹的长度、深度等。结合容器的设计和制造标准，采用有限元分析等工具评估球罐在冲击下的受力情况，判断容器是否承受冲击后仍具备足够的强度和密封性能。

3 定期检验的重点部位及无损检测方法

在定期检验中，需要重点关注容器的关键部位，并使用适当的无损检测方法进行检测。以该球罐检测方案及实施方法为例，详细阐述以下重点部位以及相应的无损检测方法的选择。

3.1 下极板及温带焊缝

定期检验中，需要关注底部接头的疲劳裂纹、腐蚀和错变量等情况。无损检测方法中常用的有超声波检测和磁粉检测，错变量用焊缝检验尺进行。通过超声波检测，可以对焊接接头进行全面的检测，识别潜在的问题并进行定量评估；而磁粉检测则适用于对表面裂纹的检测[3]。

3.2 罐体壁厚

罐体壁厚是决定容器承载能力和安全性的重要因素。定期检验中，需要关注罐体壁厚的腐蚀和减薄情况。超声波测厚法能够快速、准确地测量罐体壁厚，并提供实时数据进行评估。

3.3 焊缝

焊缝是连接各受压元件的重要组成部分，其质量和可靠性直接影响容器的安全性。定期检验中，需要关注焊缝及其热影响区的焊接质量、裂纹和腐蚀等情况。无损检测方法中常用的有无损检测常规五项（RT、UT、PT、MT、TOFD）。各种检测手段之间相互补充，能够有效的评估焊缝的完整性和可靠性。

3.4 无损检测方法的比例选择

一般来说，检验中采用的无损检测方法应综合考虑可行性、准确性、经济性和安全性等因素。根据本次检验的实际情况，对于大型球罐的无损检测，超声波检测（TOFD）和磁粉检测（MT）、渗透检测（PT）是检验该类容器的主要方法，比例不少于20%，合格级别应符合《承压设备无损检测》（NB/T 47013—2015）相关要求。

4 检验结果及裂纹性质分析

检验结果和裂纹性质分析可以帮助判断容器的可靠性和持久性，并为进一步的维护、使用和修复提供指导性方向。针对本次对该球罐的检验，详细阐述以下4个方面的内容。

4.1 多处裂纹的检验结果

4.2 裂纹的形貌特征

裂纹的形貌特征可以提供关于裂纹的成因和演化过程的重要线索。定期检验时，需要对裂纹的形貌进行详细观察和描述。在上述检验中，赤道板与下极板、赤道板与赤道板、下温带与下极板连接焊缝处的裂纹由焊趾处向热影响区扩张或处于焊缝表面的纵向或横向裂纹，长度最长的为12mm，最短的仅有2mm。

4.3 裂纹的性质

对裂纹性质进行分析可以了解裂纹对容器的影响程度和潜在破坏风险。分析应包括裂纹的深度、宽度、形态、扩展情况以及可能导致破坏的因素。在焊缝相交处可能导致应力集中，进一步加剧裂纹扩展的风险；而焊缝表面的细小裂纹虽然长度较短，但裂纹呈弧形或蛛网状可能表明存在应力集中，也需要引起重视[4]。经过打磨后裂纹消除，深度最深1.5mm，长宽为10mm×13mm。

4.4 金相和硬度检测结果的论证

金相和硬度检测是对检验方案和缺陷原因判断过程的一个论证，通过金相检测，可以观察裂纹周围的组织结构，了解材料的性质和可能的裂纹起始点。硬度检测可以提供材料的硬度值，作为判断材料强度和韧性的指标。为了分析这一问题，曲靖市质量技术监督综合检测中心中心对该球罐内外表面进行大面积宏观检查，对腐蚀造成的裂纹进行定性和定量分析，确定腐蚀损伤的性质和程度，对部分裂纹进行金相检测后，发现裂纹周围存在变形体和晶界腐蚀现象，纹尖端表面走向延晶分布，由此可以推断裂纹与焊接过程中的应力集中和使用过程中介质的腐蚀有关。

5 裂纹处理办法

在发现裂纹后，需要采取相应的处理办法，以确保容器的安全性和可靠性。以下详细阐述以下两个方面的内容。

5.1 裂纹修复技术

对于容器中的小型裂纹，可以采用局部打磨的方法进行修复。对于大型裂纹，需要对裂纹进行清理、打磨，重新进行表面无损检测，确定缺陷完全清除后，再根据具体情况确定是否需要补焊和局部热处理等工艺，保证焊缝质量和强度。此次检验中，对该球罐下温带与下极板一处长度较大的裂纹，采用了打磨后补焊方法进行修复，修复后对该部位重新进行局部热处理工艺，消除因焊接产生的应力集中。

5.2 裂纹后续监测措施

在对裂纹进行修复后，需要进行后续的监测措施，以确保容器的运行状态和安全性。后续监测措施包括缩短定期检验周期，每次开罐检测时关注是否有新裂纹的产生及产生部位等。如企业需求，可对该球罐进行声发射检测[5]。

6 结语

综上所述，针对该2000 立方球罐（第三类、低合金高强度钢），介质为临氢环境，会随着强度级别的提高而加大产生应力腐蚀开裂的敏感性。需要严格控制材料的化学成分，特别是对含碳量的控制，严格控制钢板和球壳板的表面质量检查，加强对焊工执行工艺纪律情况的检查，确保符合焊接工艺的要求，严格执行焊后消除残余应力的整体热处理工作，制定严谨的定期检验方案和检验重点检测部位，采用先进的检验检测技术和处理办法，用金相和硬度检测对检验工作进行佐证，同时采用新型材料和制造工艺，以提高球罐的安全性和可靠性，确保加氢站的安全稳定运行。