淺析1 000 m3丙烯球罐下部凸緣開裂成因

朱 兵*

（南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院）

0 前言

特種設(shè)備是指涉及生命安全、危險性較大的鍋爐、壓力容器(含氣瓶)、壓力管道、電梯、起重機械、客運索道、大型游樂設(shè)施和場(廠)內(nèi)專用機動車輛這八大類設(shè)備。球罐是一種典型的壓力容器，屬于承壓類特種設(shè)備。國家相關(guān)標準規(guī)定了特種設(shè)備的使用管理和定期檢驗要求。對某化工企業(yè)1 000 m3丙烯球罐進行首次定期檢驗時，發(fā)現(xiàn)其下部凸緣存在裂紋缺陷，如圖1 所示。為了進一步分析裂紋產(chǎn)生原因，本文通過宏觀檢驗、殘余應(yīng)力測定、金相分析等方式對該球罐下部凸緣進行試驗研究。

1 定期檢驗

圖1 凸緣部位圖

由于球罐結(jié)構(gòu)較為特殊，通常會在罐底開孔方便物料進出，凸緣是球罐開孔補強常用的結(jié)構(gòu)形式。某企業(yè)1 000 m3丙烯球罐于2019 年10 月檢驗到期，依據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范對其進行首次定期檢驗。球罐設(shè)計單位為中油遼河工程有限公司，制造安裝單位為山東五維華信化工設(shè)備有限公司，該罐于2016 年10 月建成投用。罐體材質(zhì)為Q370R，內(nèi)徑為12 300 mm，壁厚為38 mm。球罐工作壓力為2.16 MPa，工作溫度為-19～50 ℃，工作介質(zhì)為丙烯。根據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》要求及單位作業(yè)指導(dǎo)書文件編制了專項檢驗方案，檢驗方案考慮了該球罐可能存在的損傷模式。檢驗方案包含宏觀檢查、壁厚測定、表面無損檢測（磁粉檢測、滲透檢測）、超聲檢測、安全附件檢查及氣密性試驗等內(nèi)容。定期檢驗時滲透檢測過程中發(fā)現(xiàn)球罐下部凸緣存在裂紋缺陷。為進一步分析裂紋產(chǎn)生原因，將凸緣從球罐切下進行試驗研究。

2 介質(zhì)對球罐影響

丙烯常溫下為無色、稍帶有甜味的氣體，標準中將其劃分為甲類可燃液體。丙烯是三大合成材料的基本原料，主要用于生產(chǎn)聚丙烯、丙烯腈、異丙醇、丙酮和環(huán)氧丙烷等，無腐蝕性。同樣材質(zhì)、同樣工況條件的另外3 臺丙烯球罐進行定期檢驗均未發(fā)現(xiàn)凸緣存在裂紋缺陷，并且罐體無腐蝕。

3 試驗研究

3.1 宏觀分析

球罐切下的下部凸緣局部放大情況如圖2 所示。內(nèi)壁面裂紋形態(tài)可見圖2 a），內(nèi)壁面（與丙烯介質(zhì)接觸側(cè)）為鐵銹色，可見裂紋呈樹枝狀從管口邊緣向外擴展。外壁面（與工廠環(huán)境接觸側(cè)）裂紋形態(tài)可見圖2 b），外壁裂紋平直，較內(nèi)壁寬。初步分析，裂紋由外壁啟裂，向內(nèi)壁擴展。

圖2 球罐下部開裂凸緣宏觀特征

3.2 殘余應(yīng)力測量

為了進一步分析裂紋產(chǎn)生原因，利用型號為Proto IXRD ComboX 的射線殘余應(yīng)力測試儀對內(nèi)壁殘余應(yīng)力進行了測量。殘余應(yīng)力測量結(jié)果如表1 所示，測點位置分布如圖3 所示。結(jié)果顯示，內(nèi)壁面存在一定的殘余應(yīng)力，即使發(fā)生開裂，應(yīng)力得到釋放，卻仍然有80 MPa 以上的殘余應(yīng)力。鑒于裂紋由外壁啟裂，向內(nèi)壁擴展，可以推測外壁受到的應(yīng)力更大。由于球罐下部凸緣已從設(shè)備上切下，應(yīng)力狀態(tài)變化較大，因此殘余應(yīng)力檢測結(jié)果只能大致反映開裂位置的殘余應(yīng)力。

表1 內(nèi)壁面殘余應(yīng)力測量結(jié)果

圖3 殘余應(yīng)力位置圖

3.3 金相組織分析

先用百葉輪去除凸緣表面雜質(zhì)、油漆等，然后用纖維拋光輪將凸緣表面粗拋光，直至其表面光潔。對磨拋好的部位進行腐蝕，將事先配置好的腐蝕液（4%硝酸酒精），用棉花球蘸取后腐蝕至其表面發(fā)灰，失去金屬鏡面光澤。用酒精擦拭沖洗后，通過現(xiàn)場顯微鏡觀察腐蝕后的表面。用100 倍或者200 倍進行觀察，判定組織情況。圖4 a），圖4 b）所示為斷裂位置對面組織為鐵素體+珠光體，可見大塊狀鐵素體。圖4 c），圖4 d）所示為斷裂位置為鐵素體+珠光體，有魏氏體傾向，局部可見疑似馬氏體組織。可以推測開裂與鍛造后組織結(jié)構(gòu)不佳有關(guān)。

4 結(jié)論

本文通過宏觀、殘余應(yīng)力測定、金相分析等方式對該球罐切下下部凸緣進行試驗研究。球罐下部凸緣已從設(shè)備上切下，應(yīng)力狀態(tài)改變較大，但是仍然有80 MPa 以上的殘余應(yīng)力。開裂位置微觀組織中可見魏氏體傾向，局部可見疑似馬氏體組織，脆性較大。綜合以上分析，初步認為裂紋由外壁啟裂，隨后向內(nèi)壁擴展，開裂與鍛造后組織結(jié)構(gòu)不佳及殘余應(yīng)力較大有關(guān)。

圖4 斷裂位置和斷裂位置對面金相組織