對(duì)某臺(tái)液化石油氣貯罐裂紋性質(zhì)的分析

林銀昌

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。

現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)觀察，這些多條密集細(xì)小磁痕的長(zhǎng)度在3mm～30mm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，也就是看上去磁痕顯示相對(duì)比較粗壯。

現(xiàn)將觀察的磁痕形貌示意如下：

該罐1995年11月出廠，容積50m3，φ2600mm×9912mm，材質(zhì)為16MnR，板厚16mm，設(shè)計(jì)壓力P=1．6 MPa，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(2003．8～2004．8)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，這些裂紋是表面丌口裂紋，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(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)?，材料的疲勞極限(σ.1)遠(yuǎn)低于材料的抗拉強(qiáng)度(σb)，疲勞極限一般為抗拉強(qiáng)度的0.4~0.6倍，即σ.1。(0.4~.6)σb。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102~105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，丌始時(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一2.4，(℃)。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(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(℃)：0 8.8 15.9 23 30 33.6 37.1

罐內(nèi)溫度Tn(℃)：0 10 20 30 40 45 50

丙烷壓力P(MPa)：0．36 0．52 0．71 0．96 1．25 1．43 1.61

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20～45～20(℃)變化，這時(shí)，罐內(nèi)壓力P就在0.7l～1.43～0.71(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?，F(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=f1.43—0.71)／0.71×100％=101.4％；再?gòu)闹形缰烈雇?，△P=(0.71—1.43)／1.43×100％=一50.3％。如此看來(lái)，雖然環(huán)境溫度的變化才l 7.7℃，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)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)500／0～1000／0。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2.5×10。天以上，材料的應(yīng)力交變次數(shù)也有2.5×103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)使材料的抗疲勞能力下降，就更容易產(chǎn)生疲勞裂紋，這種情況下產(chǎn)生的裂紋，稱之為腐蝕疲勞裂紋。

通過(guò)以上分析，該罐在使用過(guò)程中，已具備了產(chǎn)生疲勞裂紋的條件，而這些裂紋所顯現(xiàn)的形貌與疲勞裂紋的特征非常相似。因此，可以認(rèn)為這些裂紋，即該氣站3#液化石油氣貯罐第三筒節(jié)沿兩條縱焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)出現(xiàn)的裂紋，是產(chǎn)生不久的疲勞裂紋（或是腐蝕疲勞裂紋）。