定期檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的長管拖車瓶體裂紋成因分析

孫 旭，韓文超，李 琦，高 明，崔棟梁

(中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029)

0 引言

長管拖車由幾個(gè)或十幾個(gè)大容積鋼制無縫氣瓶組裝在一起，氣瓶兩端瓶口通過外螺紋與法蘭螺紋連接，法蘭通過螺栓固定在支撐框架上[1]，氣瓶后端通過不銹鋼管路連通在一起，并固定在半掛車底盤上。長管拖車屬于移動式壓力容器，主要用于運(yùn)輸壓縮天然氣、氮?dú)狻⒀鯕?、惰性氣體等工業(yè)氣體[2]。長管拖車往來于人口、建筑密集的地區(qū)，工作壓力高，介質(zhì)易燃易爆，移動性強(qiáng)，不確定性大，引發(fā)安全事故的外部因素多，發(fā)生事故的可能性較大，一旦發(fā)生事故將威脅公共安全[3]，產(chǎn)生巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失和惡劣的社會影響。因此，確保其安全運(yùn)行具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會價(jià)值[4-6]。

對于長管拖車本身，目前暫時(shí)沒有相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)正在起草中，現(xiàn)有產(chǎn)品基本都是按照相應(yīng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)及制造。但針對長管拖車所用氣瓶，已有相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 33145—2016《大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶》[7]，該標(biāo)準(zhǔn)給出了長管拖車氣瓶的型式和參數(shù)、技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則等要求。例如，制造瓶體的材料應(yīng)采用電弧爐加爐外精煉并經(jīng)真空精煉處理，或氧氣轉(zhuǎn)爐加爐外精煉并經(jīng)真空精煉處理的無時(shí)效性鎮(zhèn)靜鋼；瓶體選用的材料應(yīng)與所盛介質(zhì)具有相容性，且應(yīng)具有良好的低溫沖擊性能等。

本文討論的內(nèi)容為在定期檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的真實(shí)案例。某天然氣運(yùn)輸公司所屬長管拖車，氣瓶材料為4130X，規(guī)格為?559 mm×11000 mm×16.5 mm，工作壓力不大于20 MPa，工作溫度-40～60 ℃，介質(zhì)為壓縮天然氣。該長管拖車投入使用3年后，使用單位按照TSG R7001—2013《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》[8]的規(guī)定進(jìn)行首次定期檢驗(yàn)。定期檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)氣瓶存在貫穿性裂紋，距離氣瓶鋼印端瓶口端面1 900 mm，裂紋長度45 mm，如圖 1所示。根據(jù)TSG R7001—2013《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》中“附件D 長管拖車、管束式集裝箱定期檢驗(yàn)專項(xiàng)要求”的規(guī)定，氣瓶內(nèi)外表面存在裂紋未消除，不允許繼續(xù)使用[8]。

圖1 裂紋位置及尺寸

為查明裂紋形成原因，預(yù)防類似事故的發(fā)生，對該氣瓶進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相及掃面電鏡等一系列試驗(yàn)。

1 瓶體材料分析與試驗(yàn)

為查明瓶體材料化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相等是否滿足要求，在該氣瓶正常部位取樣，受現(xiàn)場條件的限制，無法進(jìn)行冷切割，采取氣割方法取樣。為消除氣割時(shí)熱影響區(qū)的影響，取樣時(shí)，在制作試樣區(qū)域再向外延伸100 mm。拉伸試樣、沖擊試樣、化學(xué)成分檢測試樣、金相分析試樣等取樣示意圖如圖2所示。

圖2 取樣示意

1.1 化學(xué)成分和力學(xué)性能

對于測定化學(xué)成分的試樣，通過車床制取試樣，試樣尺寸為15 mm×15 mm，表面打磨平滑后貯存在盛有惰性氣體的氣密容器中。分析方法按GB/T 20066—2006[9]中的要求進(jìn)行?；瘜W(xué)成分分析結(jié)果表明元素含量符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[7]，見表 1。

對于測試材料力學(xué)性能的試樣，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[10-11]進(jìn)行制樣，經(jīng)過熱處理后的力學(xué)性能如表2所示。力學(xué)性能測試結(jié)果表明，氣瓶材料的力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)[7]的規(guī)定。

表1 化學(xué)成分 %

表2 力學(xué)性能

1.2 金相組織分析

圖3 試樣金相組織 500×

按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[12]的檢測方法，對金相試樣用4%硝酸酒精侵蝕，采用金相顯微鏡放大500倍觀察。金相組織檢測結(jié)果顯示，樣品的金相組織為典型的回火索氏體組織，且組織均勻，無明顯夾雜和偏析，見圖3。

2 缺陷部位分析與試驗(yàn)

2.1 氣瓶內(nèi)壁及裂紋橫斷面觀察分析

通過目視檢查，發(fā)現(xiàn)氣瓶內(nèi)壁存在腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致內(nèi)壁粗糙不平，如圖4所示。對內(nèi)壁借助顯微鏡進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)存在很深的腐蝕坑(如圖5中圓圈標(biāo)注)，腐蝕坑底部圖像非常模糊，是由于深度過大，超過了顯微鏡的景深；同時(shí)在內(nèi)壁存在大量的微裂紋(如圖5中箭頭所示)，這些微裂紋均起源于鋼瓶內(nèi)壁，裂紋的走向毫無規(guī)則，與常見的徑向張應(yīng)力導(dǎo)致的沿軸向開裂裂紋有明顯不同。包含裂紋的橫斷面照片見圖6，裂紋走向不同于普通的拉應(yīng)力開裂，而是呈現(xiàn)出隨機(jī)走向，不僅沿直線開裂(裂紋 1)，而且向側(cè)向發(fā)展(裂紋2，3)。由此推測，貫穿裂紋和微裂紋的形成是同一種機(jī)制。

圖4 內(nèi)壁宏觀照片

圖5 內(nèi)壁高倍照片

圖6 含裂紋橫斷面照片

2.2 掃描電鏡觀察分析

將貫穿裂紋打開，對裂紋表面進(jìn)行掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋形成方式為沿晶斷裂，而且在裂紋表面存在許多細(xì)小的微裂紋，如圖7所示。對裂紋表面進(jìn)行元素面分布分析，發(fā)現(xiàn)除了氧化層以外，還存在明顯的硫化物層，如圖8所示。同時(shí)，在裂紋開裂面發(fā)現(xiàn)存在大量的夾雜物，對夾雜物進(jìn)行成分分析(如圖9所示)，夾雜物含有大量的硫元素，而氧含量較低，推測主要是硫化鐵，而不是普通拉伸裂紋中的氧化鐵。

圖7 裂紋開裂面的掃描電鏡圖像

圖8 裂紋開裂面的元素面掃描圖

圖9 裂紋中夾雜物成分分析

3 結(jié)語

鋼瓶的化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織等均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。裂紋形成方式為沿晶斷裂，且裂紋走向不同于普通的拉應(yīng)力開裂，而是呈現(xiàn)出隨機(jī)走向。裂紋表面除了氧化層以外，還存在明顯的硫化物層。裂紋內(nèi)的鑲嵌物主要是硫化鐵，而不是普通拉伸應(yīng)力裂紋中的氧化鐵。

根據(jù)試驗(yàn)分析結(jié)果，結(jié)合充裝介質(zhì)及高壓工況，可以得出如下結(jié)論：裂紋并非主要由受力形成，而是以腐蝕為主、應(yīng)力為輔造成的開裂。造成腐蝕的可能原因是氣源沒有進(jìn)行脫硫處理，天然氣中含硫腐蝕性介質(zhì)沿晶界與鐵進(jìn)行反應(yīng)，導(dǎo)致晶界處形成硫化物，使晶界處體積膨脹，而高壓環(huán)境又加速晶界開裂，含硫氣體進(jìn)一步沿晶界侵蝕和反應(yīng)導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展，最終形成一條貫穿性裂紋，同時(shí)在裂紋內(nèi)留下大量的硫化物。

在長管拖車儲運(yùn)中，天然氣內(nèi)含硫腐蝕性介質(zhì)是造成裂紋形成的主要原因。使用單位在長管拖車使用過程中，要定期分析充裝介質(zhì)中的硫含量，發(fā)現(xiàn)硫含量超標(biāo)時(shí)，及時(shí)對介質(zhì)進(jìn)行脫硫處理，可以有效防止因硫含量超標(biāo)而引起的裂紋。