對(duì)某臺(tái)液化石油氣貯罐裂紋性質(zhì)的分析

1、對(duì)某臺(tái)液化石油氣貯罐裂紋性質(zhì)的分析壓力容器在使用中，裂紋的產(chǎn)生是經(jīng)常的事。正確判斷裂紋的性 質(zhì)，對(duì)壓力容器 的使用、管理、檢驗(yàn)及維修非常重要。2004年8月，我參加了本所對(duì)某氣站的3#液化石油氣貯罐的定期 檢驗(yàn)工作。在做內(nèi)表面焊縫的磁粉探傷時(shí)，發(fā)現(xiàn)該貯罐第三筒節(jié)上的兩 道縱焊縫(長(zhǎng)2.2米)沿焊縫兩側(cè)的熱影響區(qū)，出現(xiàn)很多條密集細(xì)小的 磁痕?，F(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)觀察，這些多條密集細(xì)小磁痕的長(zhǎng)度在3mm30mm之 間，相互問(wèn)相對(duì)平行，且全部與縱焊縫基本垂直，單條磁痕無(wú)分枝顯 象。當(dāng)光線垂直于鋼板表面照射時(shí)觀察，這些磁痕相對(duì)比較細(xì)微，當(dāng) 光 線沿軸向與鋼板約成45。角度照射時(shí)觀察，這些磁痕的顯示就比較明 顯，也

2、就是看上去磁痕顯示相對(duì)比較粗壯?，F(xiàn)將觀察的磁痕形貌示意如下：該罐1995年11月出廠，容積50m3，2600mm9912m，m材質(zhì)為 16MnR，板厚16mm，設(shè)計(jì)壓力P=1.6MPa， 1996年8月露天安裝并 投入運(yùn)行至今。我所曾于2003年8月對(duì)該罐進(jìn)行過(guò)檢驗(yàn)，經(jīng)查該罐 的檢驗(yàn)報(bào)告，當(dāng)時(shí)在這一區(qū)域未發(fā)現(xiàn)如此的磁痕。只因該罐的這一筒節(jié) 鋼板分層復(fù)雜，安全等級(jí)定為4級(jí)。一年后即今年8月對(duì)該罐再次進(jìn) 行檢驗(yàn)。經(jīng)過(guò)對(duì)這兩條縱焊縫兩側(cè)的磁痕進(jìn)行分析，可以判斷，這些磁痕 是因表面裂紋所形成的磁痕。這些裂紋，是該貯罐在這一使用周期 (2003.82004.8)內(nèi)產(chǎn)生的，既這些裂紋產(chǎn)生的時(shí)間并不長(zhǎng)。從裂

3、紋的 細(xì)小情況判斷，裂紋深入鋼板表面很淺。這些裂紋相互間相對(duì)平行，并 基本垂直于容器的軸向，單條裂紋無(wú)分枝。因觀察角度不同，磁痕有著 明顯的粗細(xì)差別，這一現(xiàn)象可以認(rèn)為，這些裂紋是表面開(kāi)口裂紋，且與 鋼板約成45的角度向板內(nèi)擴(kuò)展。現(xiàn)場(chǎng)的觀察及裂紋的形貌如上所述。這些裂紋是如何產(chǎn)生的？屬于 什么性質(zhì)的裂紋？是屬于腐蝕裂紋（或是應(yīng)力腐蝕裂紋）？還是疲勞 裂紋（或是腐蝕疲勞裂紋）？現(xiàn)在，讓我們了解一下該罐的工作環(huán)境。該貯罐自投用以來(lái)，一 直是露天工作，貯放的是民用液化石油氣。這種液化石油氣的主要成份 是丙烷，由于這種液化氣不可能達(dá)到100%的純度，其中還含有少量或 微量的H2S （硫化氫）和H20 （

4、水）及其它雜質(zhì)。而H2s是一種腐蝕 介質(zhì)，特別是在還有H20的環(huán)境中，其對(duì)鋼材的影響特別大。另外，因?yàn)樵撡A罐這一筒節(jié)的鋼板分層比較復(fù)雜，不能排除在制 造過(guò)程中，由于某種因素的影響，造成其內(nèi)部存在著較大的組裝應(yīng)力， 同時(shí)，由于是焊制而成，也不能排除因熱處理的不足而存在較大的焊接 殘余應(yīng)力。腐蝕裂紋（或是應(yīng)力腐蝕裂紋）？根據(jù)該罐的工作環(huán)境，首先考慮這些裂紋，是不是腐蝕裂紋（或 是應(yīng)力腐蝕裂紋）。但也不能因?yàn)橛懈g介質(zhì)及應(yīng)力的存在，就斷定 這些裂紋是腐蝕裂紋（或是應(yīng)力腐蝕裂紋）。腐蝕裂紋的產(chǎn)生是材料在腐蝕介質(zhì)的作用下，由于金屬表面局部 處發(fā)生電化學(xué)作用，產(chǎn)生了微裂紋，腐蝕介質(zhì)的繼續(xù)作用，導(dǎo)致裂紋的

5、擴(kuò)展。在腐蝕裂紋已發(fā)生的情況下，如果裂紋尖端存在著較大的應(yīng)力， 在腐蝕介質(zhì)和應(yīng)力的交替作用下，腐蝕裂紋就成為應(yīng)力腐蝕裂紋。腐蝕裂紋的特征是，裂紋是單條或多條，裂紋有分枝，分枝形狀 往往有Z形；裂紋向內(nèi)擴(kuò)展有穿晶的，也有非穿晶的，與主應(yīng)力方向（即軸線方向）無(wú)規(guī)則的角度。這表明裂紋不是沿著最大切應(yīng)力方向 （即不是與容器軸向約成45角）向內(nèi)擴(kuò)展。由此可知，雖然該貯罐有產(chǎn)生腐蝕裂紋（或是應(yīng)力腐蝕裂紋）的 條件，但這些裂紋的形貌與腐蝕裂紋的特征有著極大的差別，可以認(rèn) 為，這些裂紋不是腐蝕裂紋。疲勞裂紋（或是腐蝕疲勞裂紋）？這些裂紋既然不是腐蝕裂 紋，那么有沒(méi)有可能是疲勞裂紋呢？疲勞裂紋是指材料在受到交變

6、載荷 的作用而產(chǎn)生的裂紋。交變載荷是指它的大小和方向隨時(shí)問(wèn)周期性變化 的載荷。盡管載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力不大，而且往往遠(yuǎn)低于材料的強(qiáng)度極限 和屈服極限，都有可能產(chǎn)生疲勞裂紋。這是因?yàn)椋牧系钠跇O限（.1）遠(yuǎn)低于材料的抗拉強(qiáng)度 ），疲勞極限一般為抗拉強(qiáng)度的0.40.6倍，即.1。（0.4.6） b。材料在受交變載荷作用的情況下，如 果有腐蝕介質(zhì)存在，由于腐蝕介質(zhì)的作用，會(huì)使材料的抗疲勞能力下 降，材料就會(huì)在更低的交變應(yīng)力作用下，產(chǎn)生腐蝕疲勞裂紋。據(jù)有關(guān)資料說(shuō)明，交變載荷的交變次數(shù)在102105次之間就可能 產(chǎn)生疲勞裂紋，而交變載荷的交變幅值既材料的應(yīng)力交變幅值（因材 料所受的應(yīng)力與載荷成正比）應(yīng)大于

7、20%，才會(huì)產(chǎn)生。疲勞裂紋的特征是，疲勞裂紋往往很多條，相互間相對(duì)成平行 狀，近似垂直于主應(yīng)力方向（既軸方向），同一條裂紋無(wú)分枝；裂紋 一產(chǎn)生，通常從材料表面上的滑移帶沿最大切應(yīng)力方向（即和主應(yīng)力 方向也就是軸方向近似成45夾角）的晶面向內(nèi)擴(kuò)展，開(kāi)始時(shí)，裂紋擴(kuò) 展深入材料表面很淺，大約十幾微米。但該貯罐的工作環(huán)境有沒(méi)有產(chǎn)生疲勞裂紋的條件？有交變應(yīng)力存在 嗎?如果存在，交變應(yīng)力與其它應(yīng)力如組裝應(yīng)力和焊接的殘余應(yīng)力迭加 在一起，就極容易產(chǎn)生疲勞裂紋。根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)資料，露天放置的容器，環(huán)境溫度T與罐內(nèi)溫度Tn 存在如下的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：Tn 1.41T - 2.4，( )。我們知道，液化石 油氣的主要成

8、份是丙烷，那么，丙烷的壓力就近似代表了罐內(nèi)的壓力。 查有關(guān)資料可知，丙烷的壓力P與溫度Tn存在如下對(duì)應(yīng)關(guān)系(由Tn 根據(jù)上式換算成T同列如下)：壞境溫度 T() : 08.815.9233033.637.1罐內(nèi)溫度 Tn() : 0102030404550丙烷壓力 P(MPa) ： 0.360.520.710.961.251.431.61 我們知道，自然 界中白天和夜晚的環(huán)境溫度相差是比較大的，一般溫差都在20左 右，夏季的溫差就更大了。我們以一天環(huán)境溫度的變化為例，如當(dāng)環(huán)境 溫度T從15.9 (夜晚)33.6 (中午)15.9 (夜 晚)變化時(shí)，根據(jù)經(jīng) 驗(yàn)關(guān)系式可知，罐內(nèi)溫度Tn就在2045

9、20()變化，這時(shí)，罐內(nèi) 壓力P就在0.7I1.430.71(Mpa)的范圍內(nèi)變化。這樣，罐內(nèi)壓力 就一天經(jīng)歷了一個(gè)變化周期，每天如此變化，周而復(fù)始。這樣，該罐在 使用中其罐內(nèi)就形成了一個(gè)隨時(shí)間(每天)變化的交變壓力。現(xiàn)在，讓 我們計(jì)算一下罐內(nèi)壓力變化的幅值 P:從夜晚至中午，P=f1.430.71 )/0.71100%=101.4% ；再?gòu)闹形缰烈雇恚琍=(0.711.43)/1.43100% =- 50.3%。如此看來(lái)，雖然環(huán)境溫度的變化 才I7.7 ，但罐內(nèi)壓力變化的幅度已達(dá)50%1000/0。由于罐體材料所受的應(yīng)力，是與罐內(nèi)的壓力成正比的，即隨著罐 內(nèi)壓力隨時(shí)問(wèn)的交變，罐體材料所受的應(yīng)

10、力也隨著同時(shí)交變。由此說(shuō) 明，該貯罐在使用過(guò)程中，由于環(huán)境溫度的變化，貯罐材料確實(shí)在承受 著交變的應(yīng)力的作用,而應(yīng)力的交變幅值達(dá)500/01000/0。同時(shí)，由 于材料內(nèi)部的組裝應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力的影響，材料的應(yīng)力交變幅值就 更大。如此之大的交變應(yīng)力的幅值，遠(yuǎn)大于產(chǎn)生疲勞裂紋所應(yīng)達(dá) 到的應(yīng) 力交變的幅值（20%）。也就是說(shuō)，就交變載荷而言，該罐已滿(mǎn)足了產(chǎn)生 疲勞裂紋的條件。該罐己使用了 8年，也就是已使用了 2.510。天以上，材料的應(yīng) 力交變次數(shù)也有2.5103次以上。另外，由于使用中介質(zhì)的多次充裝， 每次充裝都會(huì)引起罐內(nèi)壓力的交變，這也增加了該罐材料應(yīng)力交變的次 數(shù)。這樣，就應(yīng)力的交變次數(shù)而言，也符合產(chǎn)生疲勞裂紋的條件。同時(shí)，由于罐內(nèi)腐蝕介質(zhì)硫化氫（H2S）的存在，會(huì)使材料的抗疲勞