对某台液化石油气贮罐裂纹性质的分析

1、对某台液化石油气贮罐裂纹性质的分析 压力容器在使用中，裂纹的产生是经常的事。正确判断裂纹的性 质，对压力容器的使用、管理、检验及维修非常重要。2004年 8月，我参加了本所对某气站的 3#液化石油气贮罐的定期 检验工作。在做内表面焊缝的磁粉探伤时，发现该贮罐第三筒节上的 两道纵焊缝 (长 2.2 米)沿焊缝两侧的热影响区，出现很多条密集细小 的磁痕。现场检验观察，这些多条密集细小磁痕的长度在 3mm 30mm之 间，相互问相对平行，且全部与纵焊缝基本垂直，单条磁痕无分枝显 象。当光线垂直于钢板表面照射时观察，这些磁痕相对比较细微，当 光线沿轴向与钢板约成 45。角度照射时观察，这些磁痕的显示就

2、比较 明显，也就是看上去磁痕显示相对比较粗壮。现将观察的磁痕形貌示意如下：该罐 1995年 11 月出厂，容积 50m3，2600mm9912m，m材质为 16MnR，板厚 16mm，设计压力 P=1.6MPa， 1996年 8月露天安装并投入 运行至今。我所曾于 2003年 8月对该罐进行过检验，经查该罐的检验 报告，当时在这一区域未发现如此的磁痕。只因该罐的这一筒节钢板 分层复杂，安全等级定为 4 级。一年后即今年 8 月对该罐再次进行检 验。经过对这两条纵焊缝两侧的磁痕进行分析，可以判断，这些磁痕 是因表面裂纹所形成的磁痕。这些裂纹，是该贮罐在这一使用周期 (2003.8 2004.8)

3、 内产生的，既这些裂纹产生的时间并不长。从裂纹 的细小情况判断，裂纹深入钢板表面很浅。这些裂纹相互间相对平 行，并基本垂直于容器的轴向，单条裂纹无分枝。因观察角度不同， 磁痕有着明显的粗细差别，这一现象可以认为，这些裂纹是表面丌口 裂纹，且与钢板约成 45 的角度向板内扩展。现场的观察及裂纹的形貌如上所述。这些裂纹是如何产生的 ?属于 什么性质的裂纹 ?是属于腐蚀裂纹 （ 或是应力腐蚀裂纹 ）?还是疲劳裂纹 （ 或是腐蚀疲劳裂纹 ）?现在，让我们了解一下该罐的工作环境。该贮罐自投用以来，一 直是露天工作，贮放的是民用液化石油气。这种液化石油气的主要成 份是丙烷，由于这种液化气不可能达到 100

4、%的纯度，其中还含有少量 或微量的 H2S（硫化氢）和 H20（水）及其它杂质。而 H2S是一种腐蚀介 质，特别是在还有 H20的环境中，其对钢材的影响特别大。另外，因为该贮罐这一筒节的钢板分层比较复杂，不能排除在制 造过程中，由于某种因素的影响，造成其内部存在着较大的组装应 力，同时，由于是焊制而成，也不能排除因热处理的不足而存在较大 的焊接残余应力。腐蚀裂纹 （ 或是应力腐蚀裂纹 ）?根据该罐的工作环境，首先考虑这些裂纹，是不是腐蚀裂纹 （ 或是 应力腐蚀裂纹 ） 。但也不能因为有腐蚀介质及应力的存在，就断定这些 裂纹是腐蚀裂纹 （或是应力腐蚀裂纹 ） 。腐蚀裂纹的产生是材料在腐蚀介质的作

5、用下，由于金属表面局部 处发生电化学作用，产生了微裂纹，腐蚀介质的继续作用，导致裂纹 的扩展。在腐蚀裂纹已发生的情况下，如果裂纹尖端存在着较大的应 力，在腐蚀介质和应力的交替作用下，腐蚀裂纹就成为应力腐蚀裂 纹。腐蚀裂纹的特征是，裂纹是单条或多条，裂纹有分枝，分枝形状 往往有 Z 形；裂纹向内扩展有穿晶的，也有非穿晶的，与主应力方向 （即轴线方向 ）无规则的角度。这表明裂纹不是沿着最大切应力方向 （即 不是与容器轴向约成 45角） 向内扩展。由此可知，虽然该贮罐有产生腐蚀裂纹 （或是应力腐蚀裂纹 ） 的条 件，但这些裂纹的形貌与腐蚀裂纹的特征有着极大的差别，可以认 为，这些裂纹不是腐蚀裂纹。疲

6、劳裂纹 （ 或是腐蚀疲劳裂纹 ）? 这些裂纹既然不是腐蚀裂纹，那么有没有可能是疲劳裂纹呢 ? 疲劳裂纹是指材料在受到交变载荷的作用而产生的裂纹。交变载 荷是指它的大小和方向随时问周期性变化的载荷。尽管载荷所产生的 应力不大，而且往往远低于材料的强度极限和屈服极限，都有可能产 生疲劳裂纹。这是因为，材料的疲劳极限 （.1） 远低于材料的抗拉强度 （b） ，疲劳极限一般为抗拉强度的 0.40.6 倍，即.1 。（0.4.6）b 。材 料在受交变载荷作用的情况下，如果有腐蚀介质存在，由于腐蚀介质 的作用，会使材料的抗疲劳能力下降，材料就会在更低的交变应力作 用下，产生腐蚀疲劳裂纹。据有关资料说明，交

7、变载荷的交变次数在 102105 次之间就可能 产生疲劳裂纹，而交变载荷的交变幅值既材料的应力交变幅值 （ 因材料 所受的应力与载荷成正比 ） 应大于 20%，才会产生。疲劳裂纹的特征是，疲劳裂纹往往很多条，相互间相对成平行 状，近似垂直于主应力方向 （既轴方向 ） ，同一条裂纹无分枝；裂纹一 产生，通常从材料表面上的滑移带沿最大切应力方向 （ 即和主应力方向 也就是轴方向近似成 45夹角) 的晶面向内扩展，丌始时，裂纹扩展深 入材料表面很浅，大约十几微米。但该贮罐的工作环境有没有产生疲劳裂纹的条件 ?有交变应力存在 吗?如果存在，交变应力与其它应力如组装应力和焊接的残余应力迭加 在一起，就极

8、容易产生疲劳裂纹。根据有关试验资料，露天放置的容器，环境温度 T 与罐内温度 Tn 存在如下的经验关系式： Tn。1.41T 一 2.4 ，( ) 。我们知道，液化石 油气的主要成份是丙烷，那么，丙烷的压力就近似代表了罐内的压 力。查有关资料可知，丙烷的压力 P与温度 Tn存在如下对应关系 ( 由 Tn根据上式换算成 T同列如下 )：坏境温度 T() ：08.815.9233033.637.1罐内温度 Tn() ： 0102030404550丙烷压力 P(MPa)：0.360.520.710.961.251.431.61 我们知道，自然界中白天和夜晚的环境温度相差是比较大的，一 般温差都在 2

9、0左右，夏季的温差就更大了。我们以一天环境温度的 变化为例，如当环境温度 T从 15.9 (夜晚)33.6 (中午)15.9 (夜 晚) 变化时，根据经验关系式可知，罐内温度 Tn就在 204520() 变化，这时，罐内压力 P就在 0.7l 1.43 0.71(Mpa) 的范围内变化。 这样，罐内压力就一天经历了一个变化周期，每天如此变化，周而复 始。这样，该罐在使用中其罐内就形成了一个随时间 (每天) 变化的交 变压力。现在，让我们计算一下罐内压力变化的幅值 P：从夜晚至中 午， P=f1.430.71)/0.71100%=101.4% ；再从中午至夜晚， P=(0.711.43)/1.4

10、3100% =一 50.3%。如此看来，虽然环境温度的变化 才 l7.7 ，但罐内压力变化的幅度已达 50%1000/0 。由于罐体材料所受的应力，是与罐内的压力成正比的，即随着罐 内压力随时问的交变，罐体材料所受的应力也随着同时交变。由此说 明，该贮罐在使用过程中，由于环境温度的变化，贮罐材料确实在承 受着交变的应力的作用，而应力的交变幅值达 500/0 1000/0。同时， 由于材料内部的组装应力和焊接残余应力的影响，材料的应力交变幅 值就更大。如此之大的交变应力的幅值，远大于产生疲劳裂纹所应达 到的应力交变的幅值 (20%)。也就是说，就交变载荷而言，该罐已满足 了产生疲劳裂纹的条件。该罐己使用了 8 年，也就是已使用了 2.510 。天以上，材料的应 力交变次数也有 2.5103 次以上。另外，由于使用中介质的多次充装， 每次充装都会引起罐内压力的交变，这也增加了该罐材料应力交变的 次数。这样，就应力的交变次数而言，也符合产生疲劳裂纹的条件。同时，由于罐内腐蚀介质硫化氢 (H2S)的存在，会使材料的抗疲劳 能