低温液体储槽夹套下封头开裂原因分析

张益轩 陈 杰 刘庆生 蒲 晒

(重庆市特种设备检测研究院 重庆 401121)

低温液体储槽夹套下封头开裂原因分析

张益轩 陈 杰 刘庆生 蒲 晒

(重庆市特种设备检测研究院 重庆 401121)

一台低温液体储槽使用了近8个月夹套下封头就发生开裂。设备返厂维修时，通过宏观检验、内筒耐压试验、材质理化检验等分析，找出了封头开裂的主要原因是设备安装不合理，全部支座焊接固定，不能自由膨胀。

低温液体储槽 夹套封头 裂纹 原因分析

一台型号为CFL-50/1.2盛装液氮的低温液体储槽，于2012年4月出厂，2012年5月安装投入使用。2013年1月中旬使用单位操作人员发现该储槽运行不正常，安全阀时常起跳跑气。设备制造商根据用户的反映，立即派人去现场查看。外观检查未见异常；真空度测试，发现该设备夹套真空度严重超标。维修人员对该设备的夹套重新进行了抽真空处理，但真空度始终不能满足要求。经进一步检查，发现该设备夹套下封头出现了裂纹，决定返回容器制造厂维修。

为了保证返修质量，制造商、监检机构的相关技术人员一同对该设备下封头裂纹产生的原因进行了分析。

1 设备情况

该低温液体储槽制造标准为GB18442-2001《低温绝热压力容器》，经监督检验合格，其主要参数见表1。

表1 设备的主要参数

该设备夹套下封头材料为Q235-B，板厚14mm，内直径为3000mm。在直径为2760mm的圆周等分安装了三个支座。支座垫板与下封头采用搭接角焊缝连接，垫板材料为 Q235-B，规格为680mm×400mm×16mm，每个支座底板均有直径为42mm的地脚螺栓孔。其中一支座钻有工艺孔，用于灌装珠光砂时安装振动泵用。

2 宏观检查

2.1 裂纹分布情况

夹套筒节与下封头环焊缝处切割出封头，见图1。从封头外表面进行检查，发现曾安装振动泵的支座与垫板的角焊缝有两条裂纹，其中一条裂纹源于角焊缝的熔合线上见图2箭头1指示处，另一条裂纹起源于角焊缝焊趾处见图2箭头2指示位置；支座垫板也开裂并延伸到封头母材上见图2箭头3指示处。从内表面检查，在支座中部封头母材未开裂，但在支座边缘母材已开裂见图3箭头处，裂纹向出液管方向扩展见图4。支座处封头内外表面裂纹形态单一，但裂纹长度外表面远远大于内表面。支座边缘与出液管之间的母材已开裂，裂纹呈枝状，且内外表面裂纹形态相似。

2.2 支座安装情况

宏观检查发现该台设备的三个支座底板均附着有焊接金属，说明该设备安装不合理，支座与基础全部采用焊接连接，未考虑热胀冷缩。

图1 夹套筒节与下封头环焊缝处裂纹

图2 振动泵支座与垫板的角焊缝裂纹

图3 支座边缘母材裂纹

图4 出液管方向扩展裂纹

3 厚度检验

下封头经超声波测厚，厚度为13.4～13.9mm，符合相关标准的要求。

4 内筒耐压试验

对内筒进行了耐压试验，未发现内筒、接管有渗漏现象。

5 理化检验

制造商委托专业理化检验机构对夹套下封头的材质进行了化学分析、力学和弯曲性能检验，并对出液管附近的母材断裂面进行了扫描电镜分析，其检验结果如下：

1）封头的化学成分分析值见表2，材料符合GB3274-2007 Q235-B的规定。

表2 化学成分分析值 %

2）力学和弯曲性能试验值见表3，材料符合GB3274-2007 Q235-B的规定。

表3 力学和弯曲试验值

3）对出液管附近的母材裂纹断裂面进行扫描电镜分析，断裂面为准解理断裂，为脆性断裂。

6 裂纹原因分析

对内筒进行了耐压试验，未发现内筒、接管有渗漏现象，说明夹套下封头开裂，与渗漏低温液体发生冷脆无关。

1）设备安装不合理，支座底板与基础预埋件采用焊接连接，不能自由膨胀，是产生裂纹的主要原因。低温液体储槽在运行过程要经受环境温度的变化以及装卸过程因低温介质流入流出引起的局部区域温度改变，从而发生热胀冷缩现象。当设备不能自由膨胀时，温度变化将会产生热应力，热应力的大小与温差、材料等有关。支座与垫板采用角焊缝连接，角焊缝因结构不连续容易发生应力集中，而焊缝中熔合线、焊趾又是最薄弱的部位；在热应力作用下该部位有可能超过材料的屈服强度，发生塑性变形，诱发裂纹。从宏观检查可知外表面两条裂纹的裂纹源分别位于支座与垫板角焊缝的熔合线上、焊趾处；支座处封头外表面裂纹长度远大于内表面裂纹长度，说明裂纹是从封头外表面先开裂，再向内部扩展。

2）安装工艺振动泵的支座，较其它支座更容易损伤。夹套灌装珠光砂时，需要在支座上安装振动泵，其目的是为夯实珠光砂。振动泵的功率一般为2kW，振动泵频率高振幅较大，有可能损伤支座与垫板的连接角焊缝。

3）出液管加速裂纹扩展。低温液体储槽运行时，出液管附近不可避免要结霜，出液管附近处的温度较其他部位要低一些，材料的塑性变得更差，尤其在真空失效时，温度更低，将加速裂纹扩展。从宏观检查可知出液管附近母材开裂更严重，裂纹呈枝状，内外表面裂纹形状相似说明裂纹已贯穿；通过扫描电镜分析也证实了出液管附近母材开裂为脆性断裂。

7 预防措施

制造商应重视支座的制造质量，合理布置封头上的各种接管，尤其是出液管，防止母材发生冷脆失效。安装单位应按设计文件的要求施工，避免因安装不当发生质量事故。

该设备经返厂维修后重新安装使用，运行正常。

1 赵凤英.在用卧式液化石油气储罐缺陷检验与成因分析[J].中国特种设备安全,2008,24(1): 55～57.

2 李奎元.不锈钢蒸煮锅夹套裂纹失效分析[J].中国特种设备安全,2009,25(2): 47～48.

3 张志超.锅炉封头与筒体间环焊缝裂纹的产生机理[J].中国特种设备安全,2010,26(6): 52～54.

4 姜秀海,等.低温液体储存容器的定期检验[J].中国特种设备安全,2010,26(3): 43～44.

5 刘金良,等.LNG低温液体储罐的定期检验[J].中国特种设备安全,2011,27(4): 25～26.

6 陈成蔡,等.液化石油气球罐延迟裂纹分布情况J].中国特种设备安全,2012,28(11): 48～49.

Reason Analysis of Underside Head’s Cracks in the Jacket of Cryogenic Liquid Storage Tank

Zhang Yixuan Chen Jie Liu Qingsheng Pu Shai
(Chongqing Special Equipment Inspection and Research Institute Chongqing 401121)

The cracks were found in the underside head of the jacket of a cryogenic liquid storage tank which had run eight months. Reasons of cracking head were analyzed and determined by visual examination, the inner cylinder pressure test and material testing when it was in returned material authorization. It was not reasonable that all equipment awere not free expansion after welded and fxed.

Cryogenic liquid storage tank Jacket of Head Crack Analysis of Crack

X933.4

B

1673－257X(2014)11－73－03

10.3969/j.issn.1673-257X.2014.11.021

张益轩（1965～），男，大专，高级工程师，副主任，从事压力容器检验检测工作.

2014-09-30）