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1、对某台液化石油气贮罐裂纹性质的分析 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
2、磁痕的显示就比较明显，也就是看上去磁痕显不相对比较粗壮。现将观察的磁痕形貌示意如下：该罐 1995 年 11 月出厂，容积 50m3, p 2600mmX9912mm 材质为 16MnR, 板厚 16mm ，设计压力 P=1.6MPa 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
3、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 裂纹是表面兀口裂纹，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。该贮罐白投用以来，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
4、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
5、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
6、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（。馋低于材料的抗拉强度（。b）疲劳极限一般为抗拉强度的0.40.6 倍，即。 .1 （ 0.4.6 ） &豺料在受 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
7、力作用下，产 生腐蚀疲劳裂纹。似垂直于据有关资料说明，交变载荷的交变次数在 102105 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，兀始时，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
8、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, （C ）。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（C） : 罐内温度 Tn（C）： 丙烷压力 P（MPa）: 我们知道，白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 20C 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
9、，如当环境 温度T从15.9C （夜晚）33.6C （中午）159C （夜晚）变化 时，根据经验 关系式可知，罐内温度 Tn就在20? 45? 20（C）变化，这 时，罐内压力P 就在 0.71? 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AP :从夜晚至中午, P=f1.43 0.71)/0.71X100%=101.4% ; 再从 中午至 夜晚， P=(0.71 1.43)/1.43X100%A 50.3%
10、。如此看来,虽然环境温度的变 化才 17.7C ,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
11、 8 年,也就是已使用了 2.5X10 。天以上,材料的应力交 变次数 也有 2.5X103 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 灼存在,会使材料的抗疲劳能力 下降, 就更容易产生疲劳裂纹,这种情况下产生的裂纹,称之为腐蚀 疲劳裂纹。通过以上分析,该罐在使用过程中,已具备了产生疲劳裂纹的条件, 而这些裂纹所显现的形貌与疲劳裂纹的特征非常相似。因此,可以认 为这些裂 纹,即该气站 3# 夜化石油气贮罐第三筒节沿两条纵焊缝两侧热影响区出现的裂纹，是产生不久的疲劳裂纹（或是腐蚀疲劳裂纹）
