某液化石油氣儲(chǔ)罐表面焊縫裂紋分析

1、對(duì)液化石油氣儲(chǔ)罐表面焊縫裂紋的分析The surface of LPG tanks analysis of the weld cracking 摘 要：針對(duì)某廠液化石油氣儲(chǔ)罐焊縫出現(xiàn)了2條表面裂紋的問題，對(duì)裂紋產(chǎn)生的原因及形成機(jī)理作了詳細(xì)分析，找出形成裂紋的原因，并通過打磨消除了裂紋，通過無量綱計(jì)算，對(duì)其中一條裂紋進(jìn)行了補(bǔ)焊及檢驗(yàn)等措施，保障了設(shè)備的安全運(yùn)行。Pick to: According to certain factory LPG tanks appeared 2 the weld surface crack problems, For crack causes and mechan

2、ism are analyzed, Find out the causes of cracks in formation, And through the burnish eliminates crack, Through the dimensionless calculation, On one of the cracks were repair and test and other measures, Ensure the safe operation of the equipment.關(guān)鍵詞：石油氣儲(chǔ)罐；焊縫；應(yīng)力腐蝕；裂紋；檢驗(yàn)Keywords: LPG tanks; Weld; St

3、ress corrosion; Crack; Inspection某廠有2臺(tái)24 m3液化石油氣儲(chǔ)罐于2004年投入使用，在2010年9月份檢驗(yàn)過程中，其中2# 罐發(fā)現(xiàn)有表面焊縫裂紋，分別在筒體第2、3道環(huán)焊縫上，一條長(zhǎng)16 mm，深2 mm；另一條由兩條間斷裂紋組成，總共長(zhǎng)約42 mm，深2.8 mm。 這兩臺(tái)液化石油氣儲(chǔ)罐的具體參數(shù)如下：設(shè)計(jì)壓力 1.77 MPa ；   最高工作壓力 1.2 MPa ； 設(shè)計(jì)溫度 50 ；     材料 16MnR；壁厚 12 mm；  

4、0;  直徑 2 000 mm；     水壓試驗(yàn)壓力 2.21 MPa；   操作介質(zhì) 液化石油氣。1 產(chǎn)生裂紋的原因分析1.1裂紋的分類裂紋按其產(chǎn)生本質(zhì)，大體可分為熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋、層狀撕裂裂紋、應(yīng)力腐蝕裂紋。（1）熱裂紋。焊接接頭冷卻過程中，且溫度處在固相線附近的高溫階段產(chǎn)生。（2）再熱裂紋。原件結(jié)構(gòu)焊后消除應(yīng)力熱處理中，在熱影響區(qū)的粗晶部位產(chǎn)生裂紋。（3）冷裂紋。在較低溫度，在MS點(diǎn)以下的低溫產(chǎn)生的，分為延遲裂紋、淬硬脆化裂紋、低塑性脆化裂紋。（4）層狀撕裂裂紋。主要是由于鋼板的內(nèi)部存在有分層的夾雜物（沿軋制

5、方向），在焊接時(shí)產(chǎn)生的垂直于軋制方向的應(yīng)力，致使在熱影響區(qū)或稍遠(yuǎn)的地方產(chǎn)生“臺(tái)階”狀層狀開裂并有穿晶發(fā)展。（5）應(yīng)力腐蝕裂紋。金屬材料在某些特定介質(zhì)和拉應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生的延遲開裂。 此液化石油氣儲(chǔ)罐已經(jīng)投入使用6年了，并且查出廠資料時(shí)，發(fā)現(xiàn)所有縱環(huán)焊縫100 %射線探傷合格。因此，此表面焊縫裂紋不可能是熱裂紋、再熱裂紋和層狀撕裂裂紋。在查看其充裝的液化石油氣成分資料中發(fā)現(xiàn)，筒體材質(zhì)合格，所含各種元素均未超標(biāo)，但H2S含量卻達(dá)到50×10 6，并且在開罐檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)罐內(nèi)殘液水分比較大，儲(chǔ)罐內(nèi)比較潮濕，同時(shí)在內(nèi)部全面檢驗(yàn)過程中，對(duì)產(chǎn)生裂紋的焊縫及熱影響區(qū)、母材分別進(jìn)行了硬度測(cè)量，焊

6、縫的硬度平均值為240 HB，熱影響區(qū)的硬度平均值為190 HB，母材的硬度平均值為170 HB，由于焊縫的硬度比較大，材料韌性降低，容易拉裂，所以可以大體上判定這兩個(gè)裂紋為應(yīng)力腐蝕裂紋。1.2 應(yīng)力腐蝕的產(chǎn)生條件應(yīng)力腐蝕的產(chǎn)生條件有三條：一為存在腐蝕環(huán)境；二為結(jié)構(gòu)材料中(殼體及其焊縫、接管等)必須存在應(yīng)力；三為材料同腐蝕環(huán)境的相互搭配，如濕H2S對(duì)高強(qiáng)度鋼的應(yīng)力腐蝕。存在腐蝕環(huán)境的具體表現(xiàn)是：（1）介質(zhì)中含有液相水和H2S，且H2S濃度越高，應(yīng)力腐蝕引起的破裂越可能發(fā)生；    （2）pH6或有氰化物存在；H2S應(yīng)力腐蝕破裂，一般只發(fā)生在酸性溶液中，pH6容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕

7、破裂，pH6時(shí)，硫化鐵Fe2S3和硫化亞鐵FeS所形成的膜有較好的保護(hù)性能，故不發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂，但系統(tǒng)中存在氰根離子時(shí)，氰根離子將與亞鐵離子結(jié)合生成絡(luò)合離子，其濃度積比FeS小得多，因此FeS失去了成膜條件，使該系統(tǒng)發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂；    （3）溫度為065 。早在20世紀(jì)50年代初，美國(guó)就開始研究H2S的應(yīng)力腐蝕問題，經(jīng)過幾十年的探索，美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)（NACE）提出，液化了的石油氣，在有液相水的情況下，H2S的氣相分壓0.00035 MPa 時(shí)，就存在H2S對(duì)設(shè)備的腐蝕和破壞的危險(xiǎn)性。在我國(guó)，中國(guó)石化總公司為避免H2S對(duì)輸送和儲(chǔ)存設(shè)備的應(yīng)力腐蝕，對(duì)液化石油氣中的H

8、2S含量規(guī)定為 10×10 6 以下。根據(jù)開罐檢查以及查閱現(xiàn)場(chǎng)的資料可知，此液化石油氣儲(chǔ)罐充裝的液化石油氣中的H2S含量為 50×10 6，并在開罐檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)罐內(nèi)比較潮濕，充裝的液化石油氣中水分應(yīng)該比較大，所以，在儲(chǔ)罐儲(chǔ)存的液化石油氣中容易形成濕H2S。由檢測(cè)得知，焊縫的硬度平均值達(dá)到 240 HB 左右，由于焊縫的硬度比較大，材料韌性降低，容易拉裂。我們知道，應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生必須同時(shí)具備兩個(gè)條件，一個(gè)是拉應(yīng)力，另一個(gè)是腐蝕介質(zhì)。拉應(yīng)力包括材料所承受的外應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力主要是焊接殘余應(yīng)力和冷加工殘余應(yīng)力，外應(yīng)力主要指工作應(yīng)力。因此可以確定此兩條裂紋屬于H2S引起的應(yīng)力腐蝕

9、裂紋。1.3裂紋形成機(jī)理實(shí)踐證明，當(dāng)材料的HB235，采用含Mn量在1.65%以下普通碳素鋼及低合金鋼制厚度薄的壓力容器時(shí)，容易發(fā)生H2S應(yīng)力腐蝕。此焊縫硬度在240 HB左右，材質(zhì)硬度過高，造成材料韌性、塑形下降，容易產(chǎn)生拉裂。在濕H2S環(huán)境中，由于焊縫表面吸附的水蒸汽凝聚成水珠，H2S在液相水中，由于電化學(xué)的作用，在陰極反應(yīng)時(shí)生成原子態(tài)氫向鋼的表面滲透，侵入鋼的內(nèi)部，溶解于晶格中，氫原子在親和力作用下生成氫分子。使得強(qiáng)度或硬度較高的鋼材晶格變形，材料韌性下降，在鋼材內(nèi)部引起微裂紋導(dǎo)致氫脆，在外加拉應(yīng)力或殘余應(yīng)力作用下形成開裂，焊縫一旦開裂，應(yīng)力將會(huì)更加集中，腐蝕介質(zhì)更容易大量聚集，裂紋將會(huì)

10、加速擴(kuò)展，直到撕裂。鋼在H2S的水溶液中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為：陽(yáng)極反應(yīng) Fe2e+- FeS+FeS+陰極反應(yīng)+2e2HH22 表面焊縫裂紋處理2.1消除表面裂紋 首先應(yīng)對(duì)兩個(gè)表面裂紋進(jìn)行打磨。在打磨的過程中，邊打磨邊做磁粉檢測(cè)，看是否把裂紋消除掉，直到把裂紋打磨掉，打磨時(shí)，打磨的傾斜度至少為3:1, 四周應(yīng)圓滑過渡。然后，測(cè)量打磨過的剩余壁厚和打磨深度，測(cè)得兩處的剩余壁厚分別為9.6 mm、8.9 mm，打磨深度分別為2 mm、2.8 mm，因?yàn)榇艘夯蜌鈨?chǔ)罐的壁厚腐蝕余量為1.0 mm，因此應(yīng)對(duì)打磨過的凹坑進(jìn)行無量綱計(jì)算，看凹坑是否在允許范圍內(nèi)。2.2 無量綱計(jì)算 兩個(gè)凹坑的實(shí)測(cè)壁厚，分別為

11、9.6 mm、8.9 mm，下次檢驗(yàn)周期定為3年，儲(chǔ)罐年腐蝕率為0.1 mm，則把這兩個(gè)凹坑化為橢圓形凹坑，進(jìn)行無量綱計(jì)算。 兩個(gè)凹坑的具體計(jì)算參數(shù)如表1。 表1兩個(gè)凹坑的計(jì)算參數(shù)表編號(hào)長(zhǎng)軸長(zhǎng)度2A（mm）短軸長(zhǎng)度2B（mm）凹坑深度C（mm）壁厚T（mm）筒體半徑R（mm）1#241829.310002#60362.88.61000進(jìn)行無量綱參數(shù)計(jì)算的凹坑應(yīng)當(dāng)滿足如下條件：（1）凹坑表面光滑，過渡平緩，并且其周圍無其他表面缺陷或者埋藏缺陷；（2）凹坑不靠近幾何不連續(xù)區(qū)域或者存在尖銳棱角的區(qū)域；（3）容器不承受外壓或者疲勞載荷；（4）T / R0.18的薄壁圓筒殼或者T / R0.10的薄壁球

12、殼；（5）材料滿足壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)定，未發(fā)現(xiàn)劣化；（6）凹坑深度C壁厚T的1/3，并且12 mm，坑底最小厚度（T C）3 mm；（7）凹坑半長(zhǎng)A1.4 RT；（8）凹坑半寬B凹坑深度C的3倍。經(jīng)過計(jì)算，此2個(gè)凹坑都滿足上面8個(gè)條件，因此，可以進(jìn)行如下無量綱計(jì)算：1# 凹坑G0 = = 0.0268 0.1因此1# 凹坑在允許范圍內(nèi)，不需要進(jìn)行處理。2# 凹坑G0 = 0.1050.1因此2# 凹坑在允許范圍之外，需要進(jìn)行補(bǔ)焊。3 補(bǔ)焊及檢驗(yàn)3.1補(bǔ)焊修理使用單位首先應(yīng)找一個(gè)有相應(yīng)資質(zhì)的修理單位進(jìn)行補(bǔ)焊。修理前，修理單位應(yīng)到當(dāng)?shù)氐募夹g(shù)監(jiān)督局辦理修理告知。進(jìn)行補(bǔ)焊前，為了增加焊縫韌性，同時(shí)減小焊縫

13、中擴(kuò)散氫的含量，選用低氫焊條 J507RH，并對(duì)補(bǔ)焊部位進(jìn)行預(yù)熱。補(bǔ)焊后將補(bǔ)焊部位100打磨至焊肉與母材和原焊縫圓滑過渡，余高02 mm，熔合線部位沒有0.5 mm以上的溝槽。為了消除焊接殘余應(yīng)力，儲(chǔ)罐焊接修復(fù)結(jié)束后，進(jìn)行了整體熱處理3.2 補(bǔ)焊后檢驗(yàn)在補(bǔ)焊24 h后，經(jīng)過宏觀檢查合格后，應(yīng)對(duì)補(bǔ)焊部位進(jìn)行 100% 的射線探傷和超聲波探傷，按 JB/T 47302005承壓設(shè)備無損檢測(cè)，RT為級(jí)合格，UT為I級(jí)合格。3.3 水壓試驗(yàn) 水壓試驗(yàn)采用清潔水，水溫大于5。水壓試驗(yàn)過程嚴(yán)格進(jìn)行基礎(chǔ)沉降數(shù)據(jù)的測(cè)量。當(dāng)容器壁溫于水溫接近時(shí)，將壓力緩慢升至規(guī)定的試驗(yàn)壓2.21 MPa ，保壓30 min，然后降至規(guī)定試驗(yàn)壓力的80%約1.77 MPa ，最后進(jìn)行檢查，無滲漏，無可見變形，實(shí)驗(yàn)過程中無異常的響聲方為合格。水試驗(yàn)后，應(yīng)對(duì)補(bǔ)焊部位進(jìn)行100磁粉檢查，執(zhí)行JB/T4730-2005標(biāo)準(zhǔn)，磁粉檢查I級(jí)合格。4 結(jié)束語 H2S 應(yīng)力腐蝕，是液化石油氣儲(chǔ)罐產(chǎn)生裂紋的最常見的原因之一，液化石油氣儲(chǔ)罐用戶應(yīng)時(shí)刻注意重裝過程中的液化石油氣的H2S含量，保證H2S不超過標(biāo)準(zhǔn)，安全使用液化石油氣儲(chǔ)罐。檢驗(yàn)單位在檢驗(yàn)時(shí)，也應(yīng)查閱其充裝的液化石油氣中的H2S含量是否超標(biāo)，以及設(shè)備