对某台液化石油气贮罐裂纹性质的分析

对某台液化石油气贮罐裂纹性质的对某台液化石油气贮罐裂纹性质的 分析分析 压力容器在使用中 裂纹的产生是经常的事 正确判断裂 纹的性质 对压力容器的使用 管理 检验及维修非常重要 2004 年 8 月 我参加了本所对某气站的 3 液化石油气贮 罐的定期检验工作 在做内表面焊缝的磁粉探伤时 发现该贮 罐第三筒节上的两道纵焊缝 长 2 2 米 沿焊缝两侧的热影响区 出现很多条密集细小的磁痕 现场检验观察 这些多条密集细小磁痕的长度在 3mm 30mm 之间 相互问相对平行 且全部与纵焊缝基本垂 直 单条磁痕无分枝显象 当光线垂直于钢板表面照射时观察 这些磁痕相对比较细微 当光线沿轴向与钢板约成 45 角度照 射时观察 这些磁痕的显示就比较明显 也就是看上去磁痕显 示相对比较粗壮 现将观察的磁痕形貌示意如下 该罐 1995 年 11 月出厂 容积 50m3 2600mm9912mm 材质为 16mnr 板厚 16mm 设计压力 p 1 6 mpa 1996 年 8 月露天安装并投入运行至今 我所曾于 2003 年 8 月对该罐进行 过检验 经查该罐的检验报告 当时在这一区域未发现如此的 磁痕 只因该罐的这一筒节钢板分层复杂 安全等级定为 4 级 一年后即今年 8 月对该罐再次进行检验 经过对这两条纵焊缝两侧的磁痕进行分析 可以判断 这 些磁痕是因表面裂纹所形成的磁痕 这些裂纹 是该贮罐在这 一使用周期 2003 8 2004 8 内产生的 既这些裂纹产生的时间 并不长 从裂纹的细小情况判断 裂纹深入钢板表面很浅 这 些裂纹相互间相对平行 并基本垂直于容器的轴向 单条裂纹 无分枝 因观察角度不同 磁痕有着明显的粗细差别 这一现 象可以认为 这些裂纹是表面丌口裂纹 且与钢板约成 45 的角 度向板内扩展 现场的观察及裂纹的形貌如上所述 这些裂纹是如何产生 的 属于什么性质的裂纹 是属于腐蚀裂纹 或是应力腐蚀裂纹 还是疲劳裂纹 或是腐蚀疲劳裂纹 现在 让我们了解一下该罐的工作环境 该贮罐自投用以 来 一直是露天工作 贮放的是民用液化石油气 这种液化石 油气的主要成份是丙烷 由于这种液化气不可能达到 100 的 纯度 其中还含有少量或微量的 h2s 硫化氢 和 h20 水 及其它 杂质 而 h2s 是一种腐蚀介质 特别是在还有 h20 的环境中 其对钢材的影响特别大 另外 因为该贮罐这一筒节的钢板分层比较复杂 不能排 除在制造过程中 由于某种因素的影响 造成其内部存在着较 大的组装应力 同时 由于是焊制而成 也不能排除因热处理 的不足而存在较大的焊接残余应力 腐蚀裂纹 或是应力腐蚀裂纹 根据该罐的工作环境 首先考虑这些裂纹 是不是腐蚀裂 纹 或是应力腐蚀裂纹 但也不能因为有腐蚀介质及应力的存在 就断定这些裂纹是腐蚀裂纹 或是应力腐蚀裂纹 腐蚀裂纹的产生是材料在腐蚀介质的作用下 由于金属表 面局部处发生电化学作用 产生了微裂纹 腐蚀介质的继续作 用 导致裂纹的扩展 在腐蚀裂纹已发生的情况下 如果裂纹 尖端存在着较大的应力 在腐蚀介质和应力的交替作用下 腐 蚀裂纹就成为应力腐蚀裂纹 腐蚀裂纹的特征是 裂纹是单条或多条 裂纹有分枝 分 枝形状往往有 z 形 裂纹向内扩展有穿晶的 也有非穿晶的 与主应力方向 即轴线方向 无规则的角度 这表明裂纹不是沿着 最大切应力方向 即不是与容器轴向约成 45 角 向内扩展 由此可知 虽然该贮罐有产生腐蚀裂纹 或是应力腐蚀裂 纹 的条件 但这些裂纹的形貌与腐蚀裂纹的特征有着极大的差 别 可以认为 这些裂纹不是腐蚀裂纹 疲劳裂纹 或是腐蚀疲劳裂纹 这些裂纹既然不是腐蚀裂纹 那么有没有可能是疲劳裂纹 呢 疲劳裂纹是指材料在受到交变载荷的作用而产生的裂纹 交变载荷是指它的大小和方向随时问周期性变化的载荷 尽管 载荷所产生的应力不大 而且往往远低于材料的强度极限和屈 服极限 都有可能产生疲劳裂纹 这是因为 材料的疲劳极限 1 远低于材料的抗拉强度 b 疲劳极限一般为抗拉强度的 0 4 0 6 倍 即 1 0 4 6 b 材料在受交变载荷作用的情况下 如果有腐蚀介质存在 由于腐蚀介质的作用 会使材料的抗疲 劳能力下降 材料就会在更低的交变应力作用下 产生腐蚀疲 劳裂纹 据有关资料说明 交变载荷的交变次数在 102 105 次之间 就可能产生疲劳裂纹 而交变载荷的交变幅值既材料的应力交 变幅值 因材料所受的应力与载荷成正比 应大于 20 才会产生 疲劳裂纹的特征是 疲劳裂纹往往很多条 相互间相对成 平行状 近似垂直于主应力方向 既轴方向 同一条裂纹无分枝 裂纹一产生 通常从材料表面上的滑移带沿最大切应力方向 即 和主应力方向也就是轴方向近似成 45 夹角 的晶面向内扩展 丌始时 裂纹扩展深入材料表面很浅 大约十几微米 但该贮罐的工作环境有没有产生疲劳裂纹的条件 有交变 应力存在吗 如果存在 交变应力与其它应力如组装应力和焊接 的残余应力迭加在一起 就极容易产生疲劳裂纹 根据有关试验资料 露天放置的容器 环境温度 t 与罐内 温度 tn 存在如下的经验关系式 tn 1 41t 一 2 4 我们 知道 液化石油气的主要成份是丙烷 那么 丙烷的压力就近 似代表了罐内的压力 查有关资料可知 丙烷的压力 p 与温度 tn 存在如下对应关系 由 tn 根据上式换算成 t 同列如下 坏境温度 t 0 8 8 15 9 23 30 33 6 37 1 罐内温度 tn 0 10 20 30 40 45 50 丙烷压力 p mpa 0 36 0 52 0 71 0 96 1 25 1 43 1 61 我们知道 自然界中白天和夜晚的环境温度相差是比较大 的 一般温差都在 20 左右 夏季的温差就更大了 我们以一 天环境温度的变化为例 如当环境温度 t 从 15 9 夜晚 33 6 中午 15 9 夜晚 变化时 根据经验关系式可知 罐内 温度 tn 就在 20 45 20 变化 这时 罐内压力 p 就在 0 7l 1 43 0 71 mpa 的范围内变化 这样 罐内压力就一天经 历了一个变化周期 每天如此变化 周而复始 这样 该罐在 使用中其罐内就形成了一个随时间 每天 变化的交变压力 现在 让我们计算一下罐内压力变化的幅值 p 从夜晚至中午 p f1 430 71 0 71100 101 4 再从中午至夜晚 p 0 711 43 1 43100 一 50 3 如此看来 虽然环境温度的变化才 l 7 7 但罐内压力变化的幅度已达 50 1000 0 由于罐体材料所受的应力 是与罐内的压力成正比的 即 随着罐内压力随时问的交变 罐体材料所受的应力也随着同时 交变 由此说明 该贮罐在使用过程中 由于环境温度的变化 贮罐材料确实在承受着交变的应力的作用 而应力的交变幅值 达 500 0 1000 0 同时 由于材料内部的组装应力和焊接残余 应力的影响 材料的应力交变幅值就更大 如此之大的交变应 力的幅值 远大于产生疲劳裂纹所应达到的应力交变的幅值 20 也就是说 就交变载荷而言 该罐已满足了产生疲劳裂纹的条 件 该罐己使用了 8 年 也就是已使用了 2 510 天以上 材 料的应力交变次数也有 2 5103 次以上 另外 由于使用中介质 的多次充装 每次充装都会引起罐内压力的交变 这也增加了 该罐材料应力交变的次数 这样 就应力的交变次数而言 也 符合产生疲劳裂纹的条件 同时 由于罐内腐蚀介质硫化氢 h2s 的存在 会使材料 的抗疲劳