对某台液化石油气贮罐裂纹性质的分析

林银昌

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，φ2600mm×9912mm，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(σ.1)远低于材料的抗拉强度(σb)，疲劳极限一般为抗拉强度的0.4~0.6倍，即σ.1。(0.4~.6)σb。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=f1.43—0.71)／0.71×100％=101.4％；再从中午至夜晚，△P=(0.71—1.43)／1.43×100％=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2.5×10。天以上，材料的应力交变次数也有2.5×103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#液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）。