對某臺液化石油氣貯罐裂紋性質的分析

林銀昌

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，發現該貯罐第三筒節上的兩道縱焊縫(長2．2米)沿焊縫兩側的熱影響區，出現很多條密集細小的磁痕。

現場檢驗觀察，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顯，也就是看上去磁痕顯示相對比較粗壯。

現將觀察的磁痕形貌示意如下：

該罐1995年11月出廠，容積50m3，φ2600mm×9912mm，材質為16MnR，板厚16mm，設計壓力P=1．6 MPa，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，當時在這一區域未發現如此的磁痕。只因該罐的這一筒節鋼板分層復雜，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(2003．8～2004．8)內產生的，既這些裂紋產生的時間并不長。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)?

現在，讓我們了解一下該罐的工作環境。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的環境中，其對鋼材的影響特別大。

另外，因為該貯罐這一筒節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)?

根據該罐的工作環境，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生電化學作用，產生了微裂紋，腐蝕介質的繼續作用，導致裂紋的擴展。在腐蝕裂紋已發生的情況下，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，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(σ.1)遠低于材料的抗拉強度(σb)，疲勞極限一般為抗拉強度的0.4~0.6倍，即σ.1。(0.4~.6)σb。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。

據有關資料說明，交變載荷的交變次數在102~105次之間就可能產生疲勞裂紋，而交變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。

根據有關試驗資料，露天放置的容器，環境溫度T與罐內溫度Tn存在如下的經驗關系式：Tn。1.41T一2.4，(℃)。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根據上式換算成T同列如下)：

壞境溫度T(℃)：0 8.8 15.9 23 30 33.6 37.1

罐內溫度Tn(℃)：0 10 20 30 40 45 50

丙烷壓力P(MPa)：0．36 0．52 0．71 0．96 1．25 1．43 1.61

我們知道，自然界中白天和夜晚的環境溫度相差是比較大的，一般溫差都在20℃左右，夏季的溫差就更大了。我們以一天環境溫度的變化為例，如當環境溫度T從15.9℃(夜晚)~33.6℃(中午)~15.9℃(夜晚)變化時，根據經驗關系式可知，罐內溫度Tn就在20～45～20(℃)變化，這時，罐內壓力P就在0.7l～1.43～0.71(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=f1.43—0.71)／0.71×100％=101.4％；再從中午至夜晚，△P=(0.71—1.43)／1.43×100％=一50.3％。如此看來，雖然環境溫度的變化才l 7.7℃，但罐內壓力變化的幅度已達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500／0～1000／0。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2.5×10。天以上，材料的應力交變次數也有2.5×103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。這樣，就應力的交變次數而言，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，就更容易產生疲勞裂紋，這種情況下產生的裂紋，稱之為腐蝕疲勞裂紋。

通過以上分析，該罐在使用過程中，已具備了產生疲勞裂紋的條件，而這些裂紋所顯現的形貌與疲勞裂紋的特征非常相似。因此，可以認為這些裂紋，即該氣站3#液化石油氣貯罐第三筒節沿兩條縱焊縫兩側熱影響區出現的裂紋，是產生不久的疲勞裂紋（或是腐蝕疲勞裂紋）。