淺析1 000 m3丙烯球罐下部凸緣開(kāi)裂成因

朱 兵*

（南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院）

0 前言

特種設(shè)備是指涉及生命安全、危險(xiǎn)性較大的鍋爐、壓力容器(含氣瓶)、壓力管道、電梯、起重機(jī)械、客運(yùn)索道、大型游樂(lè)設(shè)施和場(chǎng)(廠)內(nèi)專用機(jī)動(dòng)車輛這八大類設(shè)備。球罐是一種典型的壓力容器，屬于承壓類特種設(shè)備。國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了特種設(shè)備的使用管理和定期檢驗(yàn)要求。對(duì)某化工企業(yè)1 000 m3丙烯球罐進(jìn)行首次定期檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)其下部凸緣存在裂紋缺陷，如圖1 所示。為了進(jìn)一步分析裂紋產(chǎn)生原因，本文通過(guò)宏觀檢驗(yàn)、殘余應(yīng)力測(cè)定、金相分析等方式對(duì)該球罐下部凸緣進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 定期檢驗(yàn)

圖1 凸緣部位圖

由于球罐結(jié)構(gòu)較為特殊，通常會(huì)在罐底開(kāi)孔方便物料進(jìn)出，凸緣是球罐開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)常用的結(jié)構(gòu)形式。某企業(yè)1 000 m3丙烯球罐于2019 年10 月檢驗(yàn)到期，依據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范對(duì)其進(jìn)行首次定期檢驗(yàn)。球罐設(shè)計(jì)單位為中油遼河工程有限公司，制造安裝單位為山東五維華信化工設(shè)備有限公司，該罐于2016 年10 月建成投用。罐體材質(zhì)為Q370R，內(nèi)徑為12 300 mm，壁厚為38 mm。球罐工作壓力為2.16 MPa，工作溫度為-19～50 ℃，工作介質(zhì)為丙烯。根據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》要求及單位作業(yè)指導(dǎo)書(shū)文件編制了專項(xiàng)檢驗(yàn)方案，檢驗(yàn)方案考慮了該球罐可能存在的損傷模式。檢驗(yàn)方案包含宏觀檢查、壁厚測(cè)定、表面無(wú)損檢測(cè)（磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)）、超聲檢測(cè)、安全附件檢查及氣密性試驗(yàn)等內(nèi)容。定期檢驗(yàn)時(shí)滲透檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)球罐下部凸緣存在裂紋缺陷。為進(jìn)一步分析裂紋產(chǎn)生原因，將凸緣從球罐切下進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2 介質(zhì)對(duì)球罐影響

丙烯常溫下為無(wú)色、稍帶有甜味的氣體，標(biāo)準(zhǔn)中將其劃分為甲類可燃液體。丙烯是三大合成材料的基本原料，主要用于生產(chǎn)聚丙烯、丙烯腈、異丙醇、丙酮和環(huán)氧丙烷等，無(wú)腐蝕性。同樣材質(zhì)、同樣工況條件的另外3 臺(tái)丙烯球罐進(jìn)行定期檢驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)凸緣存在裂紋缺陷，并且罐體無(wú)腐蝕。

3 試驗(yàn)研究

3.1 宏觀分析

球罐切下的下部凸緣局部放大情況如圖2 所示。內(nèi)壁面裂紋形態(tài)可見(jiàn)圖2 a），內(nèi)壁面（與丙烯介質(zhì)接觸側(cè)）為鐵銹色，可見(jiàn)裂紋呈樹(shù)枝狀從管口邊緣向外擴(kuò)展。外壁面（與工廠環(huán)境接觸側(cè)）裂紋形態(tài)可見(jiàn)圖2 b），外壁裂紋平直，較內(nèi)壁寬。初步分析，裂紋由外壁啟裂，向內(nèi)壁擴(kuò)展。

圖2 球罐下部開(kāi)裂凸緣宏觀特征

3.2 殘余應(yīng)力測(cè)量

為了進(jìn)一步分析裂紋產(chǎn)生原因，利用型號(hào)為Proto IXRD ComboX 的射線殘余應(yīng)力測(cè)試儀對(duì)內(nèi)壁殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)量。殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果如表1 所示，測(cè)點(diǎn)位置分布如圖3 所示。結(jié)果顯示，內(nèi)壁面存在一定的殘余應(yīng)力，即使發(fā)生開(kāi)裂，應(yīng)力得到釋放，卻仍然有80 MPa 以上的殘余應(yīng)力。鑒于裂紋由外壁啟裂，向內(nèi)壁擴(kuò)展，可以推測(cè)外壁受到的應(yīng)力更大。由于球罐下部凸緣已從設(shè)備上切下，應(yīng)力狀態(tài)變化較大，因此殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果只能大致反映開(kāi)裂位置的殘余應(yīng)力。

表1 內(nèi)壁面殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

圖3 殘余應(yīng)力位置圖

3.3 金相組織分析

先用百葉輪去除凸緣表面雜質(zhì)、油漆等，然后用纖維拋光輪將凸緣表面粗拋光，直至其表面光潔。對(duì)磨拋好的部位進(jìn)行腐蝕，將事先配置好的腐蝕液（4%硝酸酒精），用棉花球蘸取后腐蝕至其表面發(fā)灰，失去金屬鏡面光澤。用酒精擦拭沖洗后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)顯微鏡觀察腐蝕后的表面。用100 倍或者200 倍進(jìn)行觀察，判定組織情況。圖4 a），圖4 b）所示為斷裂位置對(duì)面組織為鐵素體+珠光體，可見(jiàn)大塊狀鐵素體。圖4 c），圖4 d）所示為斷裂位置為鐵素體+珠光體，有魏氏體傾向，局部可見(jiàn)疑似馬氏體組織。可以推測(cè)開(kāi)裂與鍛造后組織結(jié)構(gòu)不佳有關(guān)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)宏觀、殘余應(yīng)力測(cè)定、金相分析等方式對(duì)該球罐切下下部凸緣進(jìn)行試驗(yàn)研究。球罐下部凸緣已從設(shè)備上切下，應(yīng)力狀態(tài)改變較大，但是仍然有80 MPa 以上的殘余應(yīng)力。開(kāi)裂位置微觀組織中可見(jiàn)魏氏體傾向，局部可見(jiàn)疑似馬氏體組織，脆性較大。綜合以上分析，初步認(rèn)為裂紋由外壁啟裂，隨后向內(nèi)壁擴(kuò)展，開(kāi)裂與鍛造后組織結(jié)構(gòu)不佳及殘余應(yīng)力較大有關(guān)。

圖4 斷裂位置和斷裂位置對(duì)面金相組織