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(fā)現(xiàn)該貯罐第三筒節(jié)上的 兩道縱焊縫(長2.2 米)沿焊縫兩側的熱影響區(qū)，出現(xiàn)很多條密集細小 的磁痕。現(xiàn)場檢驗觀察，這些多條密集細小磁痕的長度在3mm 30mm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

2、顯，也就是看上去磁痕顯示相對比較粗壯。現(xiàn)將觀察的磁痕形貌示意如下：該罐1995年11月出廠，容積50m3 2600mm9912rgn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(qū)域未發(fā)現(xiàn)如此的磁痕。只因該罐的這一筒節(jié)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 (2003.8 m2004.8) 內產生的，既這些裂紋產生的

3、時間并不長。從裂紋 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(xiàn)象可以認為，這些裂紋是表面丌口 裂紋，且與鋼板約成 45 的角度向板內擴展。現(xiàn)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(xiàn)在，讓我們了解一下該罐的工作環(huán)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

4、的H2S硫化氫）和H20（水）及其它雜質。而H2S是一種腐蝕介 質，特別是在還有H20的環(huán)境中，其對鋼材的影響特別大。另外，因為該貯罐這一筒節(jié)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(jù)該罐的工作環(huán)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(fā)生電化學作用，產生了微

5、裂紋，腐蝕介質的繼續(xù)作用，導致裂紋 的擴展。在腐蝕裂紋已發(fā)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(guī)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

6、，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（b），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(jù)有關資料說明，交變載荷的交變次數(shù)在 1 02 1 05次之間就可能 產生疲勞裂紋，而交變

7、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 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，丌始時，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(huán)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(jù)有關試驗資料，露天放置的容器，環(huán)境溫度 T 與罐內溫度 T

8、n 存在如下的經驗關系式：Tn。1.41T 一 2.4 ,C）。我們知道，液化石 油氣的主要成份是丙烷，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(jù)上式換算成T同列如下）：壞境溫度 TC） : 08.815.9233033.637.1罐內溫度 TnC） : 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(huán)境溫度相差是比較大的，一 般溫差都在20C左右，夏季的溫差就更大了。我們以一天環(huán)境溫度的 變化為例，如當環(huán)境溫度 T從15.9 C（夜晚

9、）33.6 C（中午）15.9 °C（夜 晚）變化時，根據(jù)經驗關系式可知，罐內溫度Tn就在204520（ C）變化，這時，罐內壓力 P就在0.711.430.71（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(xiàn)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% =一 50.3%。如此看來，雖然環(huán)境溫度的變化 才17.7 C,但罐內壓力變化的幅度

10、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，罐體材料所受的應力也隨著同時交變。由此說 明，該貯罐在使用過程中，由于環(huán)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(shù)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(shù)。這樣，就應力的交變次數(shù)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 能力下降，