LNG 臥式儲(chǔ)罐開裂原因分析

上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院（200062）石生芳 吳興華 湯曉英 顧福明

1.概述

奧氏體不銹鋼具備良好的力學(xué)性能、耐蝕性和工藝性能，在石油、化工、電力、冶金和食品等各行業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用。但由于使用、制作不當(dāng)或其他原因，不少設(shè)備因應(yīng)力腐蝕開裂而失效，許多研究人員對(duì)此進(jìn)行了深入分析和探討。

某公司氣化站，巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)一個(gè)天然氣（以下簡(jiǎn)稱LNG）低溫儲(chǔ)罐外罐底部結(jié)冰，結(jié)冰形狀呈圓形，直徑已達(dá)300mm。通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)罐真空度已完全喪失，外罐防爆片已動(dòng)作，檢測(cè)過程中有保溫材料珍珠砂溢出，且手持式燃?xì)鈾z漏儀在防爆片部位報(bào)警，據(jù)此判定該罐內(nèi)膽已泄漏。應(yīng)急處理小組立即采取倒罐、放散措施，以防止因儲(chǔ)罐內(nèi)壓力升高引發(fā)容器破裂以及低溫LNG引起儲(chǔ)罐外殼脆斷的后果。LNG臥式貯罐由0Cr18Ni9不銹鋼內(nèi)膽、抽真空的珠光砂和16MnR的外殼構(gòu)成，貯罐直徑2.8m，貯罐封頭壁厚為10mm，貯罐內(nèi)介質(zhì)為液化天然氣，使用溫度－162℃，壓力0.5MPa。

2.裂紋檢測(cè)

首先對(duì)外罐進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，用肥皂水對(duì)外罐所有焊縫、接管進(jìn)行檢查，無泄漏；然后連續(xù)檢測(cè)夾層可燃?xì)怏w濃度，直到符合動(dòng)火要求后，對(duì)缺陷表象部位的外罐體進(jìn)行切割，露出內(nèi)罐后，解剖貯罐，發(fā)現(xiàn)底部141°的封頭上有一處裂紋，該裂紋位于封頭的直邊上，與罐體和封頭的環(huán)焊縫垂直，如圖1所示。

圖1 LNG貯罐裂紋

3.化學(xué)成分及力學(xué)性能分析

（1）取樣及裂紋宏觀分析 在封頭存在裂紋的部位切割取樣（以下簡(jiǎn)稱“裂紋試樣”）。在封頭無裂紋的部位切割另一試樣（以下簡(jiǎn)稱“無裂紋試樣”），并準(zhǔn)備一塊制造封頭用的0Cr18Ni9原材料鋼板，與制造開裂封頭不是同批次原材料，（以下簡(jiǎn)稱“原材料試樣”），進(jìn)行封頭開裂原因分析。由圖2可見，裂紋試樣的外壁裂紋長(zhǎng)度約35mm，內(nèi)壁裂紋長(zhǎng)度約20mm，裂紋垂直于焊縫。

圖2 裂紋的宏觀形貌

（2）化學(xué)成分和力學(xué)性能 在裂紋試樣取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。分別在裂紋試樣、無裂紋試樣及原材料試樣上取拉伸及沖擊試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)結(jié)果分別如表2、表3所示。測(cè)試結(jié)果表明，裂紋試樣的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T4237—1992對(duì)0Cr18Ni9的要求，裂紋試樣的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度均高于原材料試樣的試驗(yàn)值和標(biāo)準(zhǔn)值，但伸長(zhǎng)率低于標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值。裂紋試樣、無裂紋試樣的低溫及常溫沖擊吸收能量均低于原材料的沖擊吸收能量。

表1 封頭的化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表3 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

（3）材料磁性檢測(cè) 通過分別對(duì)斷口試樣、裂紋試樣和無裂紋試樣的低溫沖擊試樣進(jìn)行磁飽和值測(cè)定，結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明，裂紋試樣的磁飽和值大于無裂紋封頭試樣的磁飽和值，而一般固溶處理的304不銹鋼的磁飽和值為零，即無磁性，可見裂紋封頭的顯微組織已經(jīng)不是純奧氏體組織。

表4 磁飽和值測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果

（4）金相分析 圖3為裂紋尾部形貌照片，從圖3可見裂紋無分叉，裂紋較寬且尾部比較圓鈍。如圖4所示為裂紋尾部顯微組織照片，顯微組織為馬氏體和奧氏體。焊縫的顯微組織為奧氏體＋鐵素體，熱影響區(qū)的顯微組織為奧氏體，封頭其他區(qū)域的顯微組織均為馬氏體＋奧氏體，分別如圖5、圖6和圖7所示。

圖3 裂紋尾部形貌

圖4 裂紋尾部顯微組織

圖5 焊縫處的顯微組織

圖6 熱影響區(qū)的顯微組織

圖7 封頭其他區(qū)域的顯微組織

（5）斷口分析 將裂紋斷口試樣和低溫沖擊試樣斷口分別置于掃描電鏡下觀察，圖8為試樣斷口內(nèi)壁異物SEM形貌，可見斷口存在異物；圖9為清洗后斷口的SEM形貌，可見斷口近內(nèi)壁斷口的形貌以沿晶為主，存在二次裂紋和準(zhǔn)解理；圖10為低溫沖擊試樣的斷口形貌，可見斷口形貌為韌窩形貌。

圖8 試樣斷口內(nèi)壁異物SEM形貌

圖9 清洗后斷口的SEM形貌（高倍）

圖10 低溫沖擊試樣的斷口形貌

（6）斷口異物的能譜分析 對(duì)斷口異物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明，表面內(nèi)壁異物主要含有C、O、Mg、Si、Ca、Fe、S、Cl等元素。奧氏體不銹鋼在含氯化物溶液、堿溶液、海水、H2S水溶液和連多硫酸等環(huán)境下都可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，能譜分析顯示斷口上有氯離子存在，具備了導(dǎo)致封頭發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的環(huán)境因素。

4.討論

封頭的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，封頭試樣的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度均高于原材料的試驗(yàn)值，封頭試樣的低溫及常溫沖擊吸收能量均低于原材料的沖擊吸收能量。材料磁性檢測(cè)表明裂紋試樣的磁飽和值大于無裂紋試樣的磁飽和值，而一般固溶處理的304不銹鋼的磁飽和值為零，即無磁性。

金相檢驗(yàn)結(jié)果顯示裂紋封頭的顯微組織為馬氏體＋奧氏體，無裂紋封頭的顯微組織為奧氏體＋馬氏體，由此表明封頭材料在冷加工過程中發(fā)生了組織變化，形成了具有磁性的馬氏體組織。封頭斷口形貌以沿晶為主，存在二次裂紋和少量的準(zhǔn)解理，撕裂區(qū)為韌窩形貌；而低溫沖擊斷口形貌為韌窩。表明兩者的斷裂擴(kuò)展方式不同，封頭開裂不是由于大應(yīng)力所致的一次性開裂。應(yīng)力腐蝕開裂為金屬材料在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)協(xié)同作用下發(fā)生的破裂。應(yīng)力腐蝕開裂是在環(huán)境、材料、應(yīng)力這三個(gè)因素同時(shí)起作用時(shí)發(fā)生，發(fā)生開裂的環(huán)境和材料有特定的組合。封頭內(nèi)表面的腐蝕較外表面明顯，說明貯罐內(nèi)存在腐蝕性介質(zhì)，而設(shè)備正常工作溫度為－162℃，在此溫度下沒有液態(tài)水存在，不具備應(yīng)力腐蝕開裂所需的環(huán)境，因此起始裂紋應(yīng)該不是在使用過程中產(chǎn)生的；封頭在冷加工過程中，不僅產(chǎn)生了馬氏體，也在封頭處造成了很大的殘余應(yīng)力，而馬氏體組織對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂較敏感，在制造、運(yùn)輸、安裝或檢修過程中可能存在的氯離子環(huán)境下，導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂，并在使用過程中逐漸擴(kuò)展。

5.結(jié)語

（1）開裂封頭的化學(xué)成分、抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)，封頭試樣的低溫及常溫沖擊吸收能量均低于原材料的沖擊吸收能量。材料磁性檢測(cè)表明裂紋封頭試樣的磁飽和值大于無裂紋封頭試樣的磁飽和值。

（2）金相檢驗(yàn)結(jié)果顯示裂紋封頭的顯微組織為馬氏體和奧氏體，材料在冷加工過程中發(fā)生了組織變化，形成了具有磁性的馬氏體組織。

（3）由于加工變形產(chǎn)生了馬氏體組織，在腐蝕環(huán)境和殘余應(yīng)力的作用下，LNG貯罐封頭發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂，并在使用過程中逐漸擴(kuò)展。

（4）建議對(duì)冷加工成型的奧氏體封頭在進(jìn)行固溶處理后再使用。