1. 引言

制冷系统容器是压力容器的一种重要类型，它们的介质主要以氟利昂和液氨为主，由于其设计参数及结构均有不同的要求，在实际的工业生产中，大量使用氨制冷系统压力容器。然而，氨制冷系统压力容器的设计一直以来都采用行业标准《制冷装置用压力容器》,标准经历JB/T 6917-93、JB/T 6917-98、JB/T 4750-2003、NB/T47012-2010，现最新执行标准为NB/T 47012-2020按照历次标准的规定，机械部的标准要求16MnR(Q345R)材料制造的氨冷凝器、贮氨器须经焊后消除应力热处理。能源部的标准要求Q345R材料制造的氨贮存容器须经焊后消除应力热处理。而对于氨制冷装置用压力容器的封头除应按照JB/T 4746-2002（目前为GB/T 25198-2023）的规定外，没有其他的特别要求。GB/T 25198标准规定封头选用冷成形或热成形，整板成形或先拼板后成形的碳钢及低合金钢制以及以其为基材的复合板制半球形、椭圆形、碟形、带折边的锥形及平底形封头，应于冷成形后进行热处理。

目前发现在役氨制冷系统压力容器封头直边出现裂纹的情况比较多，且出现在多个压力容器制造单位的产品上，主要集中在高压贮氨器、中间冷却器的下封头、立式低压循环桶的下封头、氨油分离器的下封头，在高压贮氨器的封头上的位置没有发现规律性。

研究氨制冷装置用压力容器封头直边开裂机理，根据开裂机理研究、制定在役氨制冷容器封头直边开裂防止措施，对保障容器安全具有积极作用，同时为以后的氨制冷装置用压力容器制造提供指导意见。

2. 氨制冷压力容器封头应力腐蚀开裂的特征

据调查，近几年来冷冻企业发生数十起贮氨器封头直边应力腐蚀开裂(封头母材上)，穿透裂纹长20 mm～40 mm左右，而材料的厚度仅10 mm～14 mm。筒体和封头的材料均为Q245R，对裂纹修磨、焊补几个月后，在补焊部位附近又产生穿透裂纹。宏观检查结果如图1所示，封头直边上有细小漏点，磨开后可见裂纹，自外壁向里打磨，磨的深度越深见到的裂纹越长，可以判断这是自里向外扩展的穿透性裂纹。封头解体后发现封头内外表面均无明显的腐蚀。

图1 封头直边裂纹宏观形貌

作者简介：胡家扬（1981年）男，本科学历，工程师，主要从事特种设备检验检测工作。

3. 新封头压痕法残余应力测试

对新出厂的24只（冷冲压+热处理12只，热冲压12只，每种规格各3只）封头采用压痕应变法测试并计算各个封头边段的残余应力，选取其中具有代表性的1只封头所测数据如下图2（a）所示。图2（b）为所测残余应力测试分布图，其中A01，A02，B01，B02，C01，C02，D01，D02，为封头直边段。截止目前发现所有失效的封头部位均为封头直边段。我们将直边段的拉应力σ1或σ2数值大于100MPa定义为超标，将冷冲压的12只封头与热冲压的12只封头所测数据经过筛选、分析并绘制于图2（c）与图2（d）。从图2（a）中可以看出在冷冲压+热处理状态下，直边段残余应力超标占比1.33%，而从图2（d）中可以看出在热冲压状态下，直边段残余应力超标高达6.00%，原因是热冲压封头成形后，如果直径存在较大偏差或不能满足订货要求时，常常会用旋压机对直边或者过渡段和直边一起进行修整，这样就在热冲压成形的封头直边部位产生了新的冷作硬化和残余应力。综上所述可以得出结论，封头出厂就存在残余应力超标的可能。

图2 新封头压痕法残余应力测试图

4. 封头直边应力腐蚀裂纹的金相分析

封头直边的金相组织为铁素体+珠光体，具有应力腐蚀开裂的特征，裂纹呈现沿晶界扩展，为沿晶裂纹。同时裂纹有分叉现象，显树枝状，并且在主裂纹处有大量的黑色附着物。（如图3（a）与（b）放大200倍）；其余分枝扩展较慢（如图3（c）与（d）放大400倍）。

图3 封头直边应力腐蚀裂纹的金相照片

5. 封头直边应力腐蚀裂纹的扫描电镜照片

对封头直边的裂纹进行扫描电镜分析，结果如图4所示。从图4 (a)知，主裂纹中间存在一些黑色附着物；部分金属组织在腐蚀作用下已脱落（如图4 (b)）；且裂纹以沿晶裂纹的形式进行扩展（如图4 (c)与(d)）。

图4 封头直边应力腐蚀裂纹的扫描电镜照片

6. 相控阵技术的应用

封头处裂纹的动态发展是从内壁起裂，向外扩展，随着使用时间的延长，逐步延伸至外壁表面，发生泄漏。

该类型裂纹的方向特征是纵向且起裂于内环焊缝（见图5（a）），相间分布于封头直边（见图5（b）），每条裂纹都有自身高度。由于该容器没有人孔，所以日常的检验只能从外壁进行。

图5 封头裂纹及其分布

针对此类特定缺陷的检测，通常采用常规的无损检测方法。第一种就是渗透检测，但是因为这种检测的局限性，只能检测那些最终穿透的裂纹，因而无法提供预防性的警示；第二种的方法是磁粉检测，由于其检测深度极其有限，而裂纹又是从内部起裂，最终也会漏检大部分的缺陷；第三种是射线检测，由于其检测方向和缺陷方向大部分不一致，从而也会导致大量的漏检；所以上述三种检测方法不能定期检测出这类缺陷，而采用相控阵超声检测法检测时，能够有效地解决这个问题。

首先相控阵探头不像超声波探头是单晶片发射，而是可以利用多个晶片多个发射角度同时扫查，本次采用的探头是32个晶片，发射角度从40°～70°的扇形扫查，和超声检测一样，在封头外侧直边处，贴近环缝边缘进行周向扫查（见图6（a））。相控阵有许多聚焦法则，在封头检测中采用的是深度聚焦法则，使得在对深度的测量时保持较高的精度。通过TCG校准，使同大小不同距离的缺陷显示出同样的当量尺寸（见图6（b）），现场检测更加直观有效。

图6相控阵封头检测

这种深度聚焦的利用，使得内部裂纹缺陷不管被何种角度超声波束发现都会得到相同的显示，因而检测的可靠性较高。在对有13处裂纹的封头进行相控阵检测时，所有缺陷都能发现。对于缺陷的自身高度，可利用裂纹下端的端角反射（见图7（a））和上端点的衍射回波（见图7（b））进行测定。

图7 下端的端角反射与上端的衍射回波

终上所述，在对这种特定的缺陷进行检测时，相控阵的检测方法都是可行的，只要设备上存在裂纹就可以被发现，所以在对这类设备进行定期检验时，除了法规规定的检测方法外，应该考虑增加一定的相控阵检测，以保证设备的安全运行。

7 结论

7.1氨制冷压力容器封头优化设计方案

7.1.1 优化设计方案

氨制冷压力容器封头开裂的原因为：氨制冷压力容器采用的冷冲压封头虽经消除残余应力热处理，但热处理温度偏低或热处理时间不够，残余应力没有充分消除，制冷系统的液氨受到空气污染，在制冷系统长时间停止运行后，液氨温度升高，致使氨制冷系统的压力容器在液氨应力腐蚀环境下服役，封头的直边发生应力腐蚀开裂。

7.1.1.2 封头材料的要求

应力腐蚀裂纹通常发生在屈服强度高的钢制容器中，当钢材的屈服强度小于350Mpa时产生应力腐蚀的可能性较低，但是由于应力叠加以及材料的实际屈服强度可能远远高于规定的屈服强度最小值，因此，建议所选用材料的标准屈服强度最小为265Mpa。

7.1.1.3 封头成形方法的要求

用于氨制冷压力容器的封头应优先选用热冲压加工，且脱模后不应进行修整，如有修整则须进行再结晶退火热处理；如采用冷冲压+热处理的封头，则须进行再结晶退火热处理，不能用消除残余应力热处理代替，且须保证热处理时封头的各个部位受热均匀。

7.1.1.4 焊接接头结构的要求

封头与筒节组装时严禁错边量超标，严谨强力组装。封头与筒体的对接焊接接头应采用双面焊，如不能采用双面焊，则应采用相当于双面焊的单面焊双面成形焊接工艺，避免焊接接头结构上的突变。

7.1.1.5 焊接材料的要求

焊接工艺应充分考虑液氨应力腐蚀开裂的风险，焊接材料应采用等强度匹配，避免采用高强度匹配。由于母材、焊接材料的实际化学成分和力学性能常常均比标准下限值高得多，在能获得实测数据时，可采用能满足焊接接头强度的低强度匹配。

7.1.1.6 使用管理

氨制冷系统须安装空气分离器，无论制冷系统是正常运行还是停机状态，都应定期排放系统中的空气等不凝性气体，且间隔时间不应过长。建议有条件的企业采用全自动放空气器。

参考文献

[1]NB/T47013-2015承压设备无损检测[S]

[2]GB/T24179-2023金属材料 残余应力测定 压痕应变法[S]

[3]GB/T25198-2023压力容器封头[S]

[4]NB/T47012-2020制冷装置用压力容器[S]

[5]GB/T1814-1979钢材断口检验法[S]

[6]GB/T22-2015钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法[S]