LNG低温贮罐底部内胆封头裂纹研究

梁慕

摘 要：在能源结构的转变及能源供应、储备的需要背景之下，大型预应力混凝土常压液化天然气（LNG）储罐在我国的建造日益兴起，双层真空绝热结构的承压LNG低温贮罐亦随之推广。而在具体使用过程中，一些LNG设备会在制作、运输以及使用过程中受到环境等因素的影响发生腐蚀开裂，严重影响其后期的使用。本文结合案例，对裂纹试样化学成分及力学性能进行分析，并对结果进行了讨论，以期为同类项目研究提供参考。

关键词：低温贮罐；裂纹；奥氏体；马氏体

中图分类号：TE972 文献标识码：A

随着全球能源资源的多样化，国内一些重要天然气基础设施建设项目相继投入使用，接收端的主体设备承压LNG贮罐的数量也随之增多，对LNG混凝土贮罐的安全性也提出了更高的要求。某低温承压LNG贮罐在巡检时发现外壳底部结冰。笔者结合此案例，对LNG低温承压贮罐底部内胆封头裂纹进行了研究。检测结果显示，是LNG低温承压贮罐内胆不锈钢在低温冲击下，材料的化学组成成分会发生改变，封头部位的材料本来为无磁性的奥氏体，而裂纹处为有磁性的马氏体，再加上局部应力较大和腐蚀环境等的作用造成了不锈钢封头发生开裂。实验研究如下：

1 概述

据悉，某气化站在进行天然气贮存罐安全情况时发现，其中一个天然气（LNG）低温承压贮罐外罐底部已经结成直径为3cm的圆形冰柱，工作人员立即对贮存罐进行现场检测，结果发现贮存罐已经完全不存在真空度，从罐体外部可看出，防爆片已经有所动作，手持式燃气检漏仪在防爆片处发出报警，而且罐体保温材料的珍珠砂也多有溢出，由这些外部现象可推断出这个贮存罐内部已经开始泄漏。此时，工作人员应立即采取相应处理措施——倒立罐体、发散内部气体，以防止贮存罐因内外压力、温度的不规律变化而发生破裂。LNG立式贮罐内部材料为0Cr18Ni9不锈钢、保温材料为珠光砂（抽真空）、外壳材料为16MnR低合金钢，贮罐直径2.8m，贮罐封头壁厚为1cm，贮罐内为液化天然气，使用温度为零下162℃，压力为0.5MPa。

2 开裂情况检测

首先是外部检测，检测罐体外部的密封性能是否良好，把适量肥皂水放入其中，发现外部焊接缝隙处没有泄漏，说明密封性完好；然后检测夹层可燃气体的浓度，连续几次，以达到可动火要求；在对有缺陷的外体部分切割以检测贮罐内部，在内部解剖中发现：底部141°处的封头的直边上有一处破裂痕迹，并且垂直于罐体和封头的环焊缝，详情如图1所示。

3 贮存罐内部材料成分、性能分析

（1）切取实验材料样及分析裂纹

取样——在封头有裂痕部位切割一部分作为分析材料即“裂纹试样”；同时在封头无裂痕的部位也切割一块作为对比分析材料即“无裂纹试样”。然后准备一块与该罐用的不是同一批次的封头原材料钢板即“原材料试样”，用于进行封头开裂原因分析。由图片2可看出：裂纹试样的位置与焊接缝隙成90°角，外部长度约为35mm，內部约为20mm。

（2）分析材料组成和测试材料性能

首先检测裂纹化学成分值与原材料标准值的差别，结果制作成表格（表1），由表1可知：裂纹材料试样的化学成分指均在标准范围之内。然后测试物理性能，主要测试三种实验试样材料的拉伸度和承受冲击的能力。结果也由图表显示。表2说明裂纹处的抗拉能力值和屈服能力值比标准值和原材料测试值都大，但拉伸率比较小，表3说明无论在常温还是低温下裂纹处的受冲击能力都比无裂痕处和原材料要弱。

（3）磁力性能测试

测试断口试样、裂纹试样和无裂纹试样的磁性能力，结果显示：无裂纹试样材料的磁性（108.6?T·m3）小于裂纹试样材料的磁性（655.8?T·m3）；而原材料试样无磁性（0?T·m3）。由此可见裂纹封头的显微组织已经不是单纯的奥氏体组织。详细数据见表4。

（4）合金的内部结构分析

从所拍裂痕图片（图3）上可看出，封头上裂纹只有一条，宽大且末尾处呈圆状。再从显微组织上分析裂纹，从图4可看出显微组织为马氏体加奥氏体。焊缝的显微组织为奥氏体和铁素体，加热区域的显微组织为奥氏体，其他区域的显微组织均为马氏体加奥氏体。

（5）断口分析

对比分析裂纹试样断口和清洗后的裂纹断口以及低温冲击下的裂纹断口。在扫描电镜下可观察到：裂纹试样断口存在异物（图5），清洗后裂纹断口以沿晶为主，并且有二次裂开迹象和限制理性（图6）；低温冲击下的裂纹试样为相互连接的显微空洞（图7）。

（6）能谱测试结果

分析异物的成分元素种类，结果表明，断口表面内壁异物主要含有碳、氧、镁、硅、钙、铁、硫以及氯等元素。奥氏体不锈钢在含氯化物溶液、碱溶液、海水、硫化氢水溶液等环境下都可能产生应力腐蚀开裂，而据导致封头发生应力腐蚀开裂环境因素分析，断口能谱分析显示有氯离子存在，因此，裂痕存在合理性。

4 结果讨论

通过一些列检验测试分析，得出以下结果：贮存罐内部封头处的化学组成成分符合材料标准；封头试样在测试中裂纹处的抗拉强度和屈服强度值比标准值和原材料测试值都大，但拉伸率比较小，且无论在常温还是低温下裂纹处的受冲击能力都比无裂痕处和原材料要弱。

磁性检测表明裂纹试样的磁性大于无裂纹试样的磁性，而原材料试样显示无磁性。金相检验结果显示裂纹封头的显微组织为马氏体加奥氏体，无裂纹封头的显微组织为奥氏体加马氏体，由此表明，低温下封头材料组成成分发生了化学变化。

从封头断口检测结果得知，清洗后断口异物以沿晶为主，且存在二次裂开迹象和限制理性，而低温冲击下断口则显示为相互连接的显微空洞，此检测结果表明罐内封头发生开裂是外部环境与其制作材料的特定组合而成，说明贮存罐受腐蚀开裂的因素包括环境、材料、应力三方面。贮存罐在零下162℃的环境下正常工作，而此时罐内物态为气体，不存在使设备腐蚀的液态水，因此说明使用过程中封头不会产生裂纹，虽然贮存罐内本身存在腐蚀性介质。

在低温冲击下，封头上会存在残余应力，同时还产生了对應力腐蚀比较敏感的马氏体组织，马氏体会在可能存在的氯离子环境下发生腐蚀，而产生的裂纹在使用过程中不断延伸。

结语

由于奥氏体不锈钢焊缝会发生（IGC）局部腐蚀，使得天然气贮存罐缺乏耐用性和安全系数降低，轻轻一敲便支离破碎，给企业带来不必要的经济损失，因此，在选用焊缝技术时，应更进一步的加强抗腐蚀性以保证罐体材料的使用价值，保障LNG 储罐的安全性，避免发生严重灾害。

参考文献

[1]欧阳宇雄.LNG储罐混凝土外罐裂缝产生的主要原因及控制措施[J].建筑工程技术与设计，2015（22）.