LNG 臥式儲(chǔ)罐開(kāi)裂原因分析

上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院（200062）石生芳 吳興華 湯曉英 顧福明

1.概述

奧氏體不銹鋼具備良好的力學(xué)性能、耐蝕性和工藝性能，在石油、化工、電力、冶金和食品等各行業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用。但由于使用、制作不當(dāng)或其他原因，不少設(shè)備因應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂而失效，許多研究人員對(duì)此進(jìn)行了深入分析和探討。

某公司氣化站，巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)一個(gè)天然氣（以下簡(jiǎn)稱(chēng)LNG）低溫儲(chǔ)罐外罐底部結(jié)冰，結(jié)冰形狀呈圓形，直徑已達(dá)300mm。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)罐真空度已完全喪失，外罐防爆片已動(dòng)作，檢測(cè)過(guò)程中有保溫材料珍珠砂溢出，且手持式燃?xì)鈾z漏儀在防爆片部位報(bào)警，據(jù)此判定該罐內(nèi)膽已泄漏。應(yīng)急處理小組立即采取倒罐、放散措施，以防止因儲(chǔ)罐內(nèi)壓力升高引發(fā)容器破裂以及低溫LNG引起儲(chǔ)罐外殼脆斷的后果。LNG臥式貯罐由0Cr18Ni9不銹鋼內(nèi)膽、抽真空的珠光砂和16MnR的外殼構(gòu)成，貯罐直徑2.8m，貯罐封頭壁厚為10mm，貯罐內(nèi)介質(zhì)為液化天然氣，使用溫度－162℃，壓力0.5MPa。

2.裂紋檢測(cè)

首先對(duì)外罐進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，用肥皂水對(duì)外罐所有焊縫、接管進(jìn)行檢查，無(wú)泄漏；然后連續(xù)檢測(cè)夾層可燃?xì)怏w濃度，直到符合動(dòng)火要求后，對(duì)缺陷表象部位的外罐體進(jìn)行切割，露出內(nèi)罐后，解剖貯罐，發(fā)現(xiàn)底部141°的封頭上有一處裂紋，該裂紋位于封頭的直邊上，與罐體和封頭的環(huán)焊縫垂直，如圖1所示。

圖1 LNG貯罐裂紋

3.化學(xué)成分及力學(xué)性能分析

（1）取樣及裂紋宏觀分析 在封頭存在裂紋的部位切割取樣（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“裂紋試樣”）。在封頭無(wú)裂紋的部位切割另一試樣（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“無(wú)裂紋試樣”），并準(zhǔn)備一塊制造封頭用的0Cr18Ni9原材料鋼板，與制造開(kāi)裂封頭不是同批次原材料，（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“原材料試樣”），進(jìn)行封頭開(kāi)裂原因分析。由圖2可見(jiàn)，裂紋試樣的外壁裂紋長(zhǎng)度約35mm，內(nèi)壁裂紋長(zhǎng)度約20mm，裂紋垂直于焊縫。

圖2 裂紋的宏觀形貌

（2）化學(xué)成分和力學(xué)性能 在裂紋試樣取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。分別在裂紋試樣、無(wú)裂紋試樣及原材料試樣上取拉伸及沖擊試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)結(jié)果分別如表2、表3所示。測(cè)試結(jié)果表明，裂紋試樣的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T4237—1992對(duì)0Cr18Ni9的要求，裂紋試樣的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度均高于原材料試樣的試驗(yàn)值和標(biāo)準(zhǔn)值，但伸長(zhǎng)率低于標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值。裂紋試樣、無(wú)裂紋試樣的低溫及常溫沖擊吸收能量均低于原材料的沖擊吸收能量。

表1 封頭的化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表3 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

（3）材料磁性檢測(cè) 通過(guò)分別對(duì)斷口試樣、裂紋試樣和無(wú)裂紋試樣的低溫沖擊試樣進(jìn)行磁飽和值測(cè)定，結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明，裂紋試樣的磁飽和值大于無(wú)裂紋封頭試樣的磁飽和值，而一般固溶處理的304不銹鋼的磁飽和值為零，即無(wú)磁性，可見(jiàn)裂紋封頭的顯微組織已經(jīng)不是純奧氏體組織。

表4 磁飽和值測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果

（4）金相分析 圖3為裂紋尾部形貌照片，從圖3可見(jiàn)裂紋無(wú)分叉，裂紋較寬且尾部比較圓鈍。如圖4所示為裂紋尾部顯微組織照片，顯微組織為馬氏體和奧氏體。焊縫的顯微組織為奧氏體＋鐵素體，熱影響區(qū)的顯微組織為奧氏體，封頭其他區(qū)域的顯微組織均為馬氏體＋奧氏體，分別如圖5、圖6和圖7所示。

圖3 裂紋尾部形貌

圖4 裂紋尾部顯微組織

圖5 焊縫處的顯微組織

圖6 熱影響區(qū)的顯微組織

圖7 封頭其他區(qū)域的顯微組織

（5）斷口分析 將裂紋斷口試樣和低溫沖擊試樣斷口分別置于掃描電鏡下觀察，圖8為試樣斷口內(nèi)壁異物SEM形貌，可見(jiàn)斷口存在異物；圖9為清洗后斷口的SEM形貌，可見(jiàn)斷口近內(nèi)壁斷口的形貌以沿晶為主，存在二次裂紋和準(zhǔn)解理；圖10為低溫沖擊試樣的斷口形貌，可見(jiàn)斷口形貌為韌窩形貌。

圖8 試樣斷口內(nèi)壁異物SEM形貌

圖9 清洗后斷口的SEM形貌（高倍）

圖10 低溫沖擊試樣的斷口形貌

（6）斷口異物的能譜分析 對(duì)斷口異物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明，表面內(nèi)壁異物主要含有C、O、Mg、Si、Ca、Fe、S、Cl等元素。奧氏體不銹鋼在含氯化物溶液、堿溶液、海水、H2S水溶液和連多硫酸等環(huán)境下都可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，能譜分析顯示斷口上有氯離子存在，具備了導(dǎo)致封頭發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的環(huán)境因素。

4.討論

封頭的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，封頭試樣的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度均高于原材料的試驗(yàn)值，封頭試樣的低溫及常溫沖擊吸收能量均低于原材料的沖擊吸收能量。材料磁性檢測(cè)表明裂紋試樣的磁飽和值大于無(wú)裂紋試樣的磁飽和值，而一般固溶處理的304不銹鋼的磁飽和值為零，即無(wú)磁性。

金相檢驗(yàn)結(jié)果顯示裂紋封頭的顯微組織為馬氏體＋奧氏體，無(wú)裂紋封頭的顯微組織為奧氏體＋馬氏體，由此表明封頭材料在冷加工過(guò)程中發(fā)生了組織變化，形成了具有磁性的馬氏體組織。封頭斷口形貌以沿晶為主，存在二次裂紋和少量的準(zhǔn)解理，撕裂區(qū)為韌窩形貌；而低溫沖擊斷口形貌為韌窩。表明兩者的斷裂擴(kuò)展方式不同，封頭開(kāi)裂不是由于大應(yīng)力所致的一次性開(kāi)裂。應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂為金屬材料在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)協(xié)同作用下發(fā)生的破裂。應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是在環(huán)境、材料、應(yīng)力這三個(gè)因素同時(shí)起作用時(shí)發(fā)生，發(fā)生開(kāi)裂的環(huán)境和材料有特定的組合。封頭內(nèi)表面的腐蝕較外表面明顯，說(shuō)明貯罐內(nèi)存在腐蝕性介質(zhì)，而設(shè)備正常工作溫度為－162℃，在此溫度下沒(méi)有液態(tài)水存在，不具備應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂所需的環(huán)境，因此起始裂紋應(yīng)該不是在使用過(guò)程中產(chǎn)生的；封頭在冷加工過(guò)程中，不僅產(chǎn)生了馬氏體，也在封頭處造成了很大的殘余應(yīng)力，而馬氏體組織對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂較敏感，在制造、運(yùn)輸、安裝或檢修過(guò)程中可能存在的氯離子環(huán)境下，導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，并在使用過(guò)程中逐漸擴(kuò)展。

5.結(jié)語(yǔ)

（1）開(kāi)裂封頭的化學(xué)成分、抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)，封頭試樣的低溫及常溫沖擊吸收能量均低于原材料的沖擊吸收能量。材料磁性檢測(cè)表明裂紋封頭試樣的磁飽和值大于無(wú)裂紋封頭試樣的磁飽和值。

（2）金相檢驗(yàn)結(jié)果顯示裂紋封頭的顯微組織為馬氏體和奧氏體，材料在冷加工過(guò)程中發(fā)生了組織變化，形成了具有磁性的馬氏體組織。

（3）由于加工變形產(chǎn)生了馬氏體組織，在腐蝕環(huán)境和殘余應(yīng)力的作用下，LNG貯罐封頭發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，并在使用過(guò)程中逐漸擴(kuò)展。

（4）建議對(duì)冷加工成型的奧氏體封頭在進(jìn)行固溶處理后再使用。