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衡水對某臺液化石油氣貯罐裂紋性質的分析

作者:小編 瀏覽量:5165 時間:2024-03-06 00:00:00

信息摘要:

對某臺液化石油氣貯罐裂紋性質的分析, 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...

 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)。

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