低溫液體儲槽夾套下封頭開裂原因分析

張益軒 陳 杰 劉慶生 蒲 曬

(重慶市特種設備檢測研究院 重慶 401121)

低溫液體儲槽夾套下封頭開裂原因分析

張益軒 陳 杰 劉慶生 蒲 曬

(重慶市特種設備檢測研究院 重慶 401121)

一臺低溫液體儲槽使用了近8個月夾套下封頭就發生開裂。設備返廠維修時，通過宏觀檢驗、內筒耐壓試驗、材質理化檢驗等分析，找出了封頭開裂的主要原因是設備安裝不合理，全部支座焊接固定，不能自由膨脹。

低溫液體儲槽 夾套封頭 裂紋 原因分析

一臺型號為CFL-50/1.2盛裝液氮的低溫液體儲槽，于2012年4月出廠，2012年5月安裝投入使用。2013年1月中旬使用單位操作人員發現該儲槽運行不正常，安全閥時常起跳跑氣。設備制造商根據用戶的反映，立即派人去現場查看。外觀檢查未見異常；真空度測試，發現該設備夾套真空度嚴重超標。維修人員對該設備的夾套重新進行了抽真空處理，但真空度始終不能滿足要求。經進一步檢查，發現該設備夾套下封頭出現了裂紋，決定返回容器制造廠維修。

為了保證返修質量，制造商、監檢機構的相關技術人員一同對該設備下封頭裂紋產生的原因進行了分析。

1 設備情況

該低溫液體儲槽制造標準為GB18442-2001《低溫絕熱壓力容器》，經監督檢驗合格，其主要參數見表1。

表1 設備的主要參數

該設備夾套下封頭材料為Q235-B，板厚14mm，內直徑為3000mm。在直徑為2760mm的圓周等分安裝了三個支座。支座墊板與下封頭采用搭接角焊縫連接，墊板材料為 Q235-B，規格為680mm×400mm×16mm，每個支座底板均有直徑為42mm的地腳螺栓孔。其中一支座鉆有工藝孔，用于灌裝珠光砂時安裝振動泵用。

2 宏觀檢查

2.1 裂紋分布情況

夾套筒節與下封頭環焊縫處切割出封頭，見圖1。從封頭外表面進行檢查，發現曾安裝振動泵的支座與墊板的角焊縫有兩條裂紋，其中一條裂紋源于角焊縫的熔合線上見圖2箭頭1指示處，另一條裂紋起源于角焊縫焊趾處見圖2箭頭2指示位置；支座墊板也開裂并延伸到封頭母材上見圖2箭頭3指示處。從內表面檢查，在支座中部封頭母材未開裂，但在支座邊緣母材已開裂見圖3箭頭處，裂紋向出液管方向擴展見圖4。支座處封頭內外表面裂紋形態單一，但裂紋長度外表面遠遠大于內表面。支座邊緣與出液管之間的母材已開裂，裂紋呈枝狀，且內外表面裂紋形態相似。

2.2 支座安裝情況

宏觀檢查發現該臺設備的三個支座底板均附著有焊接金屬，說明該設備安裝不合理，支座與基礎全部采用焊接連接，未考慮熱脹冷縮。

圖1 夾套筒節與下封頭環焊縫處裂紋

圖2 振動泵支座與墊板的角焊縫裂紋

圖3 支座邊緣母材裂紋

圖4 出液管方向擴展裂紋

3 厚度檢驗

下封頭經超聲波測厚，厚度為13.4～13.9mm，符合相關標準的要求。

4 內筒耐壓試驗

對內筒進行了耐壓試驗，未發現內筒、接管有滲漏現象。

5 理化檢驗

制造商委托專業理化檢驗機構對夾套下封頭的材質進行了化學分析、力學和彎曲性能檢驗，并對出液管附近的母材斷裂面進行了掃描電鏡分析，其檢驗結果如下：

1）封頭的化學成分分析值見表2，材料符合GB3274-2007 Q235-B的規定。

表2 化學成分分析值 %

2）力學和彎曲性能試驗值見表3，材料符合GB3274-2007 Q235-B的規定。

表3 力學和彎曲試驗值

3）對出液管附近的母材裂紋斷裂面進行掃描電鏡分析，斷裂面為準解理斷裂，為脆性斷裂。

6 裂紋原因分析

對內筒進行了耐壓試驗，未發現內筒、接管有滲漏現象，說明夾套下封頭開裂，與滲漏低溫液體發生冷脆無關。

1）設備安裝不合理，支座底板與基礎預埋件采用焊接連接，不能自由膨脹，是產生裂紋的主要原因。低溫液體儲槽在運行過程要經受環境溫度的變化以及裝卸過程因低溫介質流入流出引起的局部區域溫度改變，從而發生熱脹冷縮現象。當設備不能自由膨脹時，溫度變化將會產生熱應力，熱應力的大小與溫差、材料等有關。支座與墊板采用角焊縫連接，角焊縫因結構不連續容易發生應力集中，而焊縫中熔合線、焊趾又是最薄弱的部位；在熱應力作用下該部位有可能超過材料的屈服強度，發生塑性變形，誘發裂紋。從宏觀檢查可知外表面兩條裂紋的裂紋源分別位于支座與墊板角焊縫的熔合線上、焊趾處；支座處封頭外表面裂紋長度遠大于內表面裂紋長度，說明裂紋是從封頭外表面先開裂，再向內部擴展。

2）安裝工藝振動泵的支座，較其它支座更容易損傷。夾套灌裝珠光砂時，需要在支座上安裝振動泵，其目的是為夯實珠光砂。振動泵的功率一般為2kW，振動泵頻率高振幅較大，有可能損傷支座與墊板的連接角焊縫。

3）出液管加速裂紋擴展。低溫液體儲槽運行時，出液管附近不可避免要結霜，出液管附近處的溫度較其他部位要低一些，材料的塑性變得更差，尤其在真空失效時，溫度更低，將加速裂紋擴展。從宏觀檢查可知出液管附近母材開裂更嚴重，裂紋呈枝狀，內外表面裂紋形狀相似說明裂紋已貫穿；通過掃描電鏡分析也證實了出液管附近母材開裂為脆性斷裂。

7 預防措施

制造商應重視支座的制造質量，合理布置封頭上的各種接管，尤其是出液管，防止母材發生冷脆失效。安裝單位應按設計文件的要求施工，避免因安裝不當發生質量事故。

該設備經返廠維修后重新安裝使用，運行正常。

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6 陳成蔡,等.液化石油氣球罐延遲裂紋分布情況J].中國特種設備安全,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

張益軒（1965～），男，大專，高級工程師，副主任，從事壓力容器檢驗檢測工作.

2014-09-30）