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解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、检验及维修特别重要。2004年8月，我参加了本所对某气站的3#液化石油气贮罐的如期检验工作。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，出现很多条密集微小的磁痕。现场检验观察，这些多条密集微小磁痕的长度在3mm30mm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，这些磁痕相比较较细微，当光辉沿轴向与钢板约成45。角度照射时观察，这些磁痕的显示就比较明显，也就是看上去磁痕显示相

2、比较较粗壮。现将观察的磁痕面貌表示以下：该罐1995年11月出厂，容积50m32600mm9912rgn材质为16MnR板厚16mm设计压力P=1.6MPa1996年8月露天安装并投入运行到此刻。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，当时在这一地域未发现这样的磁痕。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解析，能够判断，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(2003.8m2004.8)内产生的，既这些裂纹产生的时间其实不长。从裂纹的微小情况判断，裂纹深入钢板表面很浅

3、。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。因观察角度不同样，磁痕有着明显的粗细差别，这一现象能够认为，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面貌如上所述。这些裂纹是如何产生的?属于什么性质的裂纹?是属于腐化裂纹（或是应力腐化裂纹）?还是疲倦裂纹（或是腐化疲倦裂纹）?此刻，让我们认识一下该罐的工作环境。该贮罐自投用以来，向来是露天工作，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，由于这种液化气不能能达到100%的纯度，其中还含有少量或微量的H2S硫化氢）和H20（水）及其他杂质。而H2S是一种腐化介质，特别是在还有H20的

4、环境中，其对钢材的影响特别大。别的，由于该贮罐这一筒节的钢板分层比较复杂，不能够消除在制造过程中，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，也不能够消除因热办理的不足而存在较大的焊接节余应力。?腐化裂纹（或是应力腐化裂纹）?依照该罐的工作环境，第一考虑这些裂纹，是不是腐化裂纹（或是应力腐化裂纹）。但也不能够由于有腐化介质及应力的存在，就判断这些裂纹是腐蚀裂纹（或是应力腐化裂纹）。腐化裂纹的产生是资料在腐化介质的作用下，由于金属表面局部处发生电化学作用，产生了微裂纹，腐化介质的连续作用，以致裂纹的扩展。在腐化裂纹已发生的情况下，若是裂纹尖端存在着较大的应力，在腐化

5、介质和应力的交替作用下，腐化裂纹就成为应力腐化裂纹。腐化裂纹的特色是，裂纹是单条或多条，裂纹有分枝，分枝形状经常有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。这表示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，诚然该贮罐有产生腐化裂纹（或是应力腐化裂纹）的条件，但这些裂纹的面貌与腐化裂纹的特色有着极大的差别，能够认为，这些裂纹不是腐化裂纹。?疲倦裂纹（或是腐化疲倦裂纹）?这些裂纹既然不是腐化裂纹，那么有没有可能是疲倦裂纹呢?疲倦裂纹是指资料在碰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

6、载荷所产生的应力不大，而且经常远低于资料的强度极限和信服极限，都有可能产生疲劳裂纹。这是由于，资料的疲倦极限（.1）远低于资料的抗拉强度b），疲倦极限一般为抗拉强度的0.40.6倍，即.1。（0.4.6）b。资料在受交变载荷作用的情况下，若是有腐化介质存在，由于腐化介质的作用，会使资料的抗疲倦能力下降，资料就会在更低的交变应力作用下，产生腐化疲倦裂纹。据有关资料说明，交变载荷的交变次数在102105次之间即可能产生疲倦裂纹，而交变载荷的交变幅值既资料的应力交变幅值（因资料所受的应力与载荷成正比）应大于20%，才会产生。疲倦裂纹的特色是，疲倦裂纹经常很多条，相互间相对成平行状，近似垂直于主应力方

7、向（既轴方向），同一条裂纹无分枝；裂纹一产生，平时从资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，裂纹扩展深入资料表面很浅，大体十几微米。但该贮罐的工作环境有没有产生疲倦裂纹的条件?有交变应力存在吗?如果存在，交变应力与其他应力如组装应力和焊接的节余应力迭加在一起，就极简单产生疲倦裂纹。依照有关试验资料，露天放置的容器，环境温度T与罐内温度Tn存在以下的经验关系式：Tn。1.41T一2.4,C）。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存在以下对应关系（由Tn依照

8、上式换算成T同列以下）：坏境温度TC）:罐内温度TnC）:丙烷压力P（MPa）：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20C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15.9C（夜晚）33.6C（中午）15.9C（夜晚）变化时，依照经验关系式可知，罐内温度Tn就在20?45?20（C）变化，这时，罐内压力P就在0.71?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，每天这样变化，循环往复。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。此刻，让我们计算一下罐内压力变化的幅值P:从夜晚

9、至中午，P=f1.430.71）/0.71100%=101.4%;再从中午至夜晚，P=（0.711.43）/1.43100%=一50.3%。这样看来，诚然环境温度的变化才17.7C,但罐内压力变化的幅度已达50%?1000/0。由于罐体资料所受的应力，是与罐内的压力成正比的，即随着罐内压力随时问的交变，罐体资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，贮罐资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,由于资料内部的组装应力和焊接节余应力的影响，资料的应力交变幅值就更大。这样之大的交变应力的幅值，远大于产生疲倦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倦裂纹的条件。该罐己使用了8年，也就是已使用了2.510。天以上，资料的应力交变次数也有2.5103次以上。别的，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，这也增加了该罐资料应力交变的次数。这样，就应力的交变次数而言，也吻合产生疲倦裂纹的条件。同时，由于罐内腐化介质硫化氢（H2S）的存在，会使资料的抗疲倦能力下降，就更