LNG低溫貯罐底部內膽封頭裂紋研究

梁慕

摘 要：在能源結構的轉變及能源供應、儲備的需要背景之下，大型預應力混凝土常壓液化天然氣（LNG）儲罐在我國的建造日益興起，雙層真空絕熱結構的承壓LNG低溫貯罐亦隨之推廣。而在具體使用過程中，一些LNG設備會在制作、運輸以及使用過程中受到環(huán)境等因素的影響發(fā)生腐蝕開裂，嚴重影響其后期的使用。本文結合案例，對裂紋試樣化學成分及力學性能進行分析，并對結果進行了討論，以期為同類項目研究提供參考。

關鍵詞：低溫貯罐；裂紋；奧氏體；馬氏體

中圖分類號：TE972 文獻標識碼：A

隨著全球能源資源的多樣化，國內一些重要天然氣基礎設施建設項目相繼投入使用，接收端的主體設備承壓LNG貯罐的數(shù)量也隨之增多，對LNG混凝土貯罐的安全性也提出了更高的要求。某低溫承壓LNG貯罐在巡檢時發(fā)現(xiàn)外殼底部結冰。筆者結合此案例，對LNG低溫承壓貯罐底部內膽封頭裂紋進行了研究。檢測結果顯示，是LNG低溫承壓貯罐內膽不銹鋼在低溫沖擊下，材料的化學組成成分會發(fā)生改變，封頭部位的材料本來為無磁性的奧氏體，而裂紋處為有磁性的馬氏體，再加上局部應力較大和腐蝕環(huán)境等的作用造成了不銹鋼封頭發(fā)生開裂。實驗研究如下：

1 概述

據(jù)悉，某氣化站在進行天然氣貯存罐安全情況時發(fā)現(xiàn)，其中一個天然氣（LNG）低溫承壓貯罐外罐底部已經(jīng)結成直徑為3cm的圓形冰柱，工作人員立即對貯存罐進行現(xiàn)場檢測，結果發(fā)現(xiàn)貯存罐已經(jīng)完全不存在真空度，從罐體外部可看出，防爆片已經(jīng)有所動作，手持式燃氣檢漏儀在防爆片處發(fā)出報警，而且罐體保溫材料的珍珠砂也多有溢出，由這些外部現(xiàn)象可推斷出這個貯存罐內部已經(jīng)開始泄漏。此時，工作人員應立即采取相應處理措施——倒立罐體、發(fā)散內部氣體，以防止貯存罐因內外壓力、溫度的不規(guī)律變化而發(fā)生破裂。LNG立式貯罐內部材料為0Cr18Ni9不銹鋼、保溫材料為珠光砂（抽真空）、外殼材料為16MnR低合金鋼，貯罐直徑2.8m，貯罐封頭壁厚為1cm，貯罐內為液化天然氣，使用溫度為零下162℃，壓力為0.5MPa。

2 開裂情況檢測

首先是外部檢測，檢測罐體外部的密封性能是否良好，把適量肥皂水放入其中，發(fā)現(xiàn)外部焊接縫隙處沒有泄漏，說明密封性完好；然后檢測夾層可燃氣體的濃度，連續(xù)幾次，以達到可動火要求；在對有缺陷的外體部分切割以檢測貯罐內部，在內部解剖中發(fā)現(xiàn)：底部141°處的封頭的直邊上有一處破裂痕跡，并且垂直于罐體和封頭的環(huán)焊縫，詳情如圖1所示。

3 貯存罐內部材料成分、性能分析

（1）切取實驗材料樣及分析裂紋

取樣——在封頭有裂痕部位切割一部分作為分析材料即“裂紋試樣”；同時在封頭無裂痕的部位也切割一塊作為對比分析材料即“無裂紋試樣”。然后準備一塊與該罐用的不是同一批次的封頭原材料鋼板即“原材料試樣”，用于進行封頭開裂原因分析。由圖片2可看出：裂紋試樣的位置與焊接縫隙成90°角，外部長度約為35mm，內部約為20mm。

（2）分析材料組成和測試材料性能

首先檢測裂紋化學成分值與原材料標準值的差別，結果制作成表格（表1），由表1可知：裂紋材料試樣的化學成分指均在標準范圍之內。然后測試物理性能，主要測試三種實驗試樣材料的拉伸度和承受沖擊的能力。結果也由圖表顯示。表2說明裂紋處的抗拉能力值和屈服能力值比標準值和原材料測試值都大，但拉伸率比較小，表3說明無論在常溫還是低溫下裂紋處的受沖擊能力都比無裂痕處和原材料要弱。

（3）磁力性能測試

測試斷口試樣、裂紋試樣和無裂紋試樣的磁性能力，結果顯示：無裂紋試樣材料的磁性（108.6?T·m3）小于裂紋試樣材料的磁性（655.8?T·m3）；而原材料試樣無磁性（0?T·m3）。由此可見裂紋封頭的顯微組織已經(jīng)不是單純的奧氏體組織。詳細數(shù)據(jù)見表4。

（4）合金的內部結構分析

從所拍裂痕圖片（圖3）上可看出，封頭上裂紋只有一條，寬大且末尾處呈圓狀。再從顯微組織上分析裂紋，從圖4可看出顯微組織為馬氏體加奧氏體。焊縫的顯微組織為奧氏體和鐵素體，加熱區(qū)域的顯微組織為奧氏體，其他區(qū)域的顯微組織均為馬氏體加奧氏體。

（5）斷口分析

對比分析裂紋試樣斷口和清洗后的裂紋斷口以及低溫沖擊下的裂紋斷口。在掃描電鏡下可觀察到：裂紋試樣斷口存在異物（圖5），清洗后裂紋斷口以沿晶為主，并且有二次裂開跡象和限制理性（圖6）；低溫沖擊下的裂紋試樣為相互連接的顯微空洞（圖7）。

（6）能譜測試結果

分析異物的成分元素種類，結果表明，斷口表面內壁異物主要含有碳、氧、鎂、硅、鈣、鐵、硫以及氯等元素。奧氏體不銹鋼在含氯化物溶液、堿溶液、海水、硫化氫水溶液等環(huán)境下都可能產(chǎn)生應力腐蝕開裂，而據(jù)導致封頭發(fā)生應力腐蝕開裂環(huán)境因素分析，斷口能譜分析顯示有氯離子存在，因此，裂痕存在合理性。

4 結果討論

通過一些列檢驗測試分析，得出以下結果：貯存罐內部封頭處的化學組成成分符合材料標準；封頭試樣在測試中裂紋處的抗拉強度和屈服強度值比標準值和原材料測試值都大，但拉伸率比較小，且無論在常溫還是低溫下裂紋處的受沖擊能力都比無裂痕處和原材料要弱。

磁性檢測表明裂紋試樣的磁性大于無裂紋試樣的磁性，而原材料試樣顯示無磁性。金相檢驗結果顯示裂紋封頭的顯微組織為馬氏體加奧氏體，無裂紋封頭的顯微組織為奧氏體加馬氏體，由此表明，低溫下封頭材料組成成分發(fā)生了化學變化。

從封頭斷口檢測結果得知，清洗后斷口異物以沿晶為主，且存在二次裂開跡象和限制理性，而低溫沖擊下斷口則顯示為相互連接的顯微空洞，此檢測結果表明罐內封頭發(fā)生開裂是外部環(huán)境與其制作材料的特定組合而成，說明貯存罐受腐蝕開裂的因素包括環(huán)境、材料、應力三方面。貯存罐在零下162℃的環(huán)境下正常工作，而此時罐內物態(tài)為氣體，不存在使設備腐蝕的液態(tài)水，因此說明使用過程中封頭不會產(chǎn)生裂紋，雖然貯存罐內本身存在腐蝕性介質。

在低溫沖擊下，封頭上會存在殘余應力，同時還產(chǎn)生了對應力腐蝕比較敏感的馬氏體組織，馬氏體會在可能存在的氯離子環(huán)境下發(fā)生腐蝕，而產(chǎn)生的裂紋在使用過程中不斷延伸。

結語

由于奧氏體不銹鋼焊縫會發(fā)生（IGC）局部腐蝕，使得天然氣貯存罐缺乏耐用性和安全系數(shù)降低，輕輕一敲便支離破碎，給企業(yè)帶來不必要的經(jīng)濟損失，因此，在選用焊縫技術時，應更進一步的加強抗腐蝕性以保證罐體材料的使用價值，保障LNG 儲罐的安全性，避免發(fā)生嚴重災害。

參考文獻

[1]歐陽宇雄.LNG儲罐混凝土外罐裂縫產(chǎn)生的主要原因及控制措施[J].建筑工程技術與設計，2015（22）.