對某臺液化石油氣貯罐裂紋性質(zhì)的分析

1、對某臺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)，對壓力容器的使用、管理、檢驗及維修非常重要。2004年8月，我參加了本所對某氣站的3#液化石油氣貯罐的定期檢驗工作。在做內(nèi)表面焊縫的磁粉探傷時，發(fā)現(xiàn)該貯罐第三筒節(jié)上的兩道縱焊縫（長2.2米）沿焊縫兩側(cè)的熱影響區(qū)，出現(xiàn)很多條密集細小的磁痕。現(xiàn)場檢驗觀察，這些多條密集細小磁痕的長度在3mm30mm之間，相互問相對平行，且全部與縱焊縫基本垂直，單條磁痕無分枝顯象。當光線垂直于鋼板表面照射時觀察，這些磁痕相對比較細微，當光線沿軸向與鋼板約成45。角度照射時觀察，這些磁痕的顯示就比較明顯，也就是看上去磁痕顯示相

2、對比較粗壯。現(xiàn)將觀察的磁痕形貌示意如下：該罐1995年11月岀廠，容積50m3,$2600mM9912mm，材質(zhì)為16MnR,板厚16mm，設(shè)計壓力P=1.6MPa,1996年8月露天安裝并投入運行至今。我所曾于2003年8月對該罐進行過檢驗，經(jīng)查該罐的檢驗報告，當時在這一區(qū)域未發(fā)現(xiàn)如此的磁痕。只因該罐的這一筒節(jié)鋼板分層復雜，安全等級定為4級。一年后即今年8月對該罐再次進行檢驗。經(jīng)過對這兩條縱焊縫兩側(cè)的磁痕進行分析，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)生的時間并不長。從裂紋的細小情況判斷，裂紋深入鋼板表面

3、很淺。這些裂紋相互間相對平行，并基本垂直于容器的軸向，單條裂紋無分枝。因觀察角度不同，磁痕有著明顯的粗細差別，這一現(xiàn)象可以認為，這些裂紋是表面丌口裂紋，且與鋼板約成45°的角度向板內(nèi)擴展?，F(xiàn)場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，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到100%的純度，其中還含有少量或微量的H2S硫化氫）和H20（水）及其它雜質(zhì)。而H2S是一種腐蝕介質(zhì)，特別是在還有H

4、20的環(huán)境中，其對鋼材的影響特別大。另外，因為該貯罐這一筒節(jié)的鋼板分層比較復雜，不能排除在制造過程中，由于某種因素的影響，造成其內(nèi)部存在著較大的組裝應力，同時，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力。腐蝕裂紋（或是應力腐蝕裂紋）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（或是應力腐蝕裂紋）。但也不能因為有腐蝕介質(zhì)及應力的存在，就斷定這些裂紋是腐蝕裂紋（或是應力腐蝕裂紋）。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)生電化學作用，產(chǎn)生了微裂紋，腐蝕介質(zhì)的繼續(xù)作用，導致裂紋的擴展。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力，在腐蝕介質(zhì)

5、和應力的交替作用下，腐蝕裂紋就成為應力腐蝕裂紋。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”；裂紋向內(nèi)擴展有穿晶的，也有非穿晶的，與主應力方向（即軸線方向）無規(guī)則的角度。這表明裂紋不是沿著最大切應力方向（即不是與容器軸向約成45°角）向內(nèi)擴展。由此可知，雖然該貯罐有產(chǎn)生腐蝕裂紋（或是應力腐蝕裂紋）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，那么有沒有可能是疲勞裂紋呢疲勞裂紋是指材料在受到交變載荷的作用而產(chǎn)生的裂紋。交變載荷是指它的大小和方向隨時問周期性變化的載荷。

6、盡管載荷所產(chǎn)生的應力不大，而且往往遠低于材料的強度極限和屈服極限，都有可能產(chǎn)生疲勞裂紋。這是因為，材料的疲勞極限（7.1遠低于材料的抗拉強度（7b）疲勞極限一般為抗拉強度的0.40.6倍，即卩（7.1（0.4.6）。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，會使材料的抗疲勞能力下降，材料就會在更低的交變應力作用下，產(chǎn)生腐蝕疲勞裂紋。據(jù)有關(guān)資料說明，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力交變幅值（因材料所受的應力與載荷成正比）應大于20%，才會產(chǎn)生。疲勞裂紋的特征是，疲勞裂紋往往很多條，相互間相對成平行狀，近似垂直于

7、主應力方向（既軸方向），同一條裂紋無分枝；裂紋一產(chǎn)生，通常從材料表面上的滑移帶沿最大切應力方向（即和主應力方向也就是軸方向近似成45°夾角）的晶面向內(nèi)擴展，丌始時，裂紋擴展深入材料表面很淺，大約十幾微米。但該貯罐的工作環(huán)境有沒有產(chǎn)生疲勞裂紋的條件有交變應力存在嗎如果存在，交變應力與其它應力如組裝應力和焊接的殘余應力迭加在一起，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)驗關(guān)系式：Tn。1.41T一2.4,（C）。我們知道，液化石油氣的主要成份是丙烷，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

8、應關(guān)系（由Tn根據(jù)上式換算成T同列如下）:壞境溫度T(C):08.815.9233033.637.1罐內(nèi)溫度Tn(C):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20C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，如當環(huán)境溫度T從15.9°C（夜晚）33.6°C（中午）15.9°C（夜晚）變化時，根據(jù)經(jīng)驗關(guān)系式可知，罐內(nèi)溫度Tn就在204520（C）變化，這時，罐內(nèi)壓力P就在0.711.430.71（Mpa）的范圍內(nèi)變化。這樣，

9、罐內(nèi)壓力就一天經(jīng)歷了一個變化周期，每天如此變化，周而復始。這樣，該罐在使用中其罐內(nèi)就形成了一個隨時間（每天）變化的交變壓力?，F(xiàn)在，讓我們計算一下罐內(nèi)壓力變化的幅值P:從夜晚至中午，P=f1.430.71）/0.71X100%=101.4；再從中午至夜晚，P=（0.711.43）/1.43X100%=50.3%。如此看來,雖然環(huán)境溫度的變化才17.7C，但罐內(nèi)壓力變化的幅度已達50%1000/0。由于罐體材料所受的應力，是與罐內(nèi)的壓力成正比的，即隨著罐內(nèi)壓力隨時問的交變，罐體材料所受的應力也隨著同時交變。由此說明，該貯罐在使用過程中，由于環(huán)境溫度的變化，貯罐材料確實在承受著交變的應力的作用，而應力的交變幅值達500/01000/0。同時，由于材料內(nèi)部的組裝應力和焊接殘余應力的影響，材料的應力交變幅值就更大。如此之大的交變應力的幅值，遠大于產(chǎn)生疲勞裂紋所應達到的應力交變的幅值（20%）。也就是說，就交變載荷而言，該罐已滿足了產(chǎn)生疲勞裂紋的條件。該罐己使用了8年，也就是已使用了2.5X10天以上，材料的應力交變次數(shù)也有2.5X10荻以上。另外，由于使用中介質(zhì)的多次充裝，每次充裝都會引起罐內(nèi)壓力的交變，這也增加了該罐材料應力交變的次數(shù)。這樣，就應力的交變次數(shù)而言，也符合產(chǎn)生疲勞裂紋的條件。同時，由于罐內(nèi)腐蝕介質(zhì)硫化氫（H2S）的存在，會使材料的抗疲勞能力下