1、對某臺液化石油氣貯罐裂紋性質的分析壓力容器在使用中，裂紋的產生是經常的事。正確判斷裂紋的性 質，對壓力容器 的使用、管理、檢驗及維修非常重要。2004年8月，我參加了本所對某氣站的3#液化石油氣貯罐的定期 檢驗工作。在做內表面焊縫的磁粉探傷時，發現該貯罐第三筒節上的兩 道縱焊縫(長2.2米)沿焊縫兩側的熱影響區，出現很多條密集細小的 磁痕。現場檢驗觀察，這些多條密集細小磁痕的長度在3mm30mm之 間，相互問相對平行，且全部與縱焊縫基本垂直，單條磁痕無分枝顯 象。當光線垂直于鋼板表面照射時觀察，這些磁痕相對比較細微，當 光 線沿軸向與鋼板約成45。角度照射時觀察，這些磁痕的顯示就比較明 顯，也

2、就是看上去磁痕顯示相對比較粗壯。現將觀察的磁痕形貌示意如下：該罐1995年11月出廠，容積50m3，2600mm9912m，m材質為 16MnR，板厚16mm，設計壓力P=1.6MPa， 1996年8月露天安裝并 投入運行至今。我所曾于2003年8月對該罐進行過檢驗，經查該罐 的檢驗報告，當時在這一區域未發現如此的磁痕。只因該罐的這一筒節 鋼板分層復雜，安全等級定為4級。一年后即今年8月對該罐再次進 行檢驗。經過對這兩條縱焊縫兩側的磁痕進行分析，可以判斷，這些磁痕 是因表面裂紋所形成的磁痕。這些裂紋，是該貯罐在這一使用周期 (2003.82004.8)內產生的，既這些裂紋產生的時間并不長。從裂

3、紋的 細小情況判斷，裂紋深入鋼板表面很淺。這些裂紋相互間相對平行，并 基本垂直于容器的軸向，單條裂紋無分枝。因觀察角度不同，磁痕有著 明顯的粗細差別，這一現象可以認為，這些裂紋是表面開口裂紋，且與 鋼板約成45的角度向板內擴展。現場的觀察及裂紋的形貌如上所述。這些裂紋是如何產生的？屬于 什么性質的裂紋？是屬于腐蝕裂紋（或是應力腐蝕裂紋）？還是疲勞 裂紋（或是腐蝕疲勞裂紋）？現在，讓我們了解一下該罐的工作環境。該貯罐自投用以來，一 直是露天工作，貯放的是民用液化石油氣。這種液化石油氣的主要成份 是丙烷，由于這種液化氣不可能達到100%的純度，其中還含有少量或 微量的H2S （硫化氫）和H20 （

4、水）及其它雜質。而H2s是一種腐蝕 介質，特別是在還有H20的環境中，其對鋼材的影響特別大。另外，因為該貯罐這一筒節的鋼板分層比較復雜，不能排除在制 造過程中，由于某種因素的影響，造成其內部存在著較大的組裝應力， 同時，由于是焊制而成，也不能排除因熱處理的不足而存在較大的焊接 殘余應力。腐蝕裂紋（或是應力腐蝕裂紋）？根據該罐的工作環境，首先考慮這些裂紋，是不是腐蝕裂紋（或 是應力腐蝕裂紋）。但也不能因為有腐蝕介質及應力的存在，就斷定 這些裂紋是腐蝕裂紋（或是應力腐蝕裂紋）。腐蝕裂紋的產生是材料在腐蝕介質的作用下，由于金屬表面局部 處發生電化學作用，產生了微裂紋，腐蝕介質的繼續作用，導致裂紋的

5、擴展。在腐蝕裂紋已發生的情況下，如果裂紋尖端存在著較大的應力， 在腐蝕介質和應力的交替作用下，腐蝕裂紋就成為應力腐蝕裂紋。腐蝕裂紋的特征是，裂紋是單條或多條，裂紋有分枝，分枝形狀 往往有Z形；裂紋向內擴展有穿晶的，也有非穿晶的，與主應力方向（即軸線方向）無規則的角度。這表明裂紋不是沿著最大切應力方向 （即不是與容器軸向約成45角）向內擴展。由此可知，雖然該貯罐有產生腐蝕裂紋（或是應力腐蝕裂紋）的 條件，但這些裂紋的形貌與腐蝕裂紋的特征有著極大的差別，可以認 為，這些裂紋不是腐蝕裂紋。疲勞裂紋（或是腐蝕疲勞裂紋）？這些裂紋既然不是腐蝕裂 紋，那么有沒有可能是疲勞裂紋呢？疲勞裂紋是指材料在受到交變

6、載荷 的作用而產生的裂紋。交變載荷是指它的大小和方向隨時問周期性變化 的載荷。盡管載荷所產生的應力不大，而且往往遠低于材料的強度極限 和屈服極限，都有可能產生疲勞裂紋。這是因為，材料的疲勞極限（.1）遠低于材料的抗拉強度 ），疲勞極限一般為抗拉強度的0.40.6倍，即.1。（0.4.6） b。材料在受交變載荷作用的情況下，如 果有腐蝕介質存在，由于腐蝕介質的作用，會使材料的抗疲勞能力下 降，材料就會在更低的交變應力作用下，產生腐蝕疲勞裂紋。據有關資料說明，交變載荷的交變次數在102105次之間就可能 產生疲勞裂紋，而交變載荷的交變幅值既材料的應力交變幅值（因材 料所受的應力與載荷成正比）應大于

7、20%，才會產生。疲勞裂紋的特征是，疲勞裂紋往往很多條，相互間相對成平行 狀，近似垂直于主應力方向（既軸方向），同一條裂紋無分枝；裂紋 一產生，通常從材料表面上的滑移帶沿最大切應力方向（即和主應力 方向也就是軸方向近似成45夾角）的晶面向內擴展，開始時，裂紋擴 展深入材料表面很淺，大約十幾微米。但該貯罐的工作環境有沒有產生疲勞裂紋的條件？有交變應力存在 嗎?如果存在，交變應力與其它應力如組裝應力和焊接的殘余應力迭加 在一起，就極容易產生疲勞裂紋。根據有關試驗資料，露天放置的容器，環境溫度T與罐內溫度Tn 存在如下的經驗關系式：Tn 1.41T - 2.4，( )。我們知道，液化石 油氣的主要成

8、份是丙烷，那么，丙烷的壓力就近似代表了罐內的壓力。 查有關資料可知，丙烷的壓力P與溫度Tn存在如下對應關系(由Tn 根據上式換算成T同列如下)：壞境溫度 T() : 08.815.9233033.637.1罐內溫度 Tn() : 0102030404550丙烷壓力 P(MPa) ： 0.360.520.710.961.251.431.61 我們知道，自然 界中白天和夜晚的環境溫度相差是比較大的，一般溫差都在20左 右，夏季的溫差就更大了。我們以一天環境溫度的變化為例，如當環境 溫度T從15.9 (夜晚)33.6 (中午)15.9 (夜 晚)變化時，根據經 驗關系式可知，罐內溫度Tn就在2045

9、20()變化，這時，罐內 壓力P就在0.7I1.430.71(Mpa)的范圍內變化。這樣，罐內壓力 就一天經歷了一個變化周期，每天如此變化，周而復始。這樣，該罐在 使用中其罐內就形成了一個隨時間(每天)變化的交變壓力。現在，讓 我們計算一下罐內壓力變化的幅值 P:從夜晚至中午，P=f1.430.71 )/0.71100%=101.4% ；再從中午至夜晚，P=(0.711.43)/1.43100% =- 50.3%。如此看來，雖然環境溫度的變化 才I7.7 ，但罐內壓力變化的幅度已達50%1000/0。由于罐體材料所受的應力，是與罐內的壓力成正比的，即隨著罐 內壓力隨時問的交變，罐體材料所受的應

10、力也隨著同時交變。由此說 明，該貯罐在使用過程中，由于環境溫度的變化，貯罐材料確實在承受 著交變的應力的作用,而應力的交變幅值達500/01000/0。同時，由 于材料內部的組裝應力和焊接殘余應力的影響，材料的應力交變幅值就 更大。如此之大的交變應力的幅值，遠大于產生疲勞裂紋所應達 到的應 力交變的幅值（20%）。也就是說，就交變載荷而言，該罐已滿足了產生 疲勞裂紋的條件。該罐己使用了 8年，也就是已使用了 2.510。天以上，材料的應 力交變次數也有2.5103次以上。另外，由于使用中介質的多次充裝， 每次充裝都會引起罐內壓力的交變，這也增加了該罐材料應力交變的次 數。這樣，就應力的交變次數而言，也符合產生疲勞裂紋的條件。同時，由于罐內腐蝕介質硫化氫（H2S）的存在，會使材料的抗疲勞