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液化石油气球罐裂纹成因分析

液化石油气球形储罐在运行中产生的主要缺陷是裂纹，它对球罐的安全运行危害极大。为此，在多年的运行检验的基础上，对裂纹产生的原因进行了分析。

１ 测定数据及试验结果
　　罐体主要技术参数：公称容积 400m3 ；设计压力 1.8MPa ；操作压力 1.6 MPa ；材质（壳板） 16MnR ；内直径 Φ9200 ㎜；壳板厚度 30 ㎜；焊缝长度 250 m；充装介质为液化石油气。
　　通过开罐检查，球罐内表面发现裂纹 150 余条，部分球壳板有 5.0 ～ 11.0 ㎜深度夹层。其中裂纹主要产生部位均在焊缝热影响区，最长达 300 ㎜最深 14.5 ㎜。罐体材料与标准规定化学成分的对比值见表 1 和表 2 ，由表 1 可见 S ， P 含量均超标准值， S ， P 都是有害杂质，使金属的力学性能降低。 C 含量接近标准上限值。由表 2 可见，取样的力学性能各指标均不合格，尤其是冲击韧性、弯曲、硬度更为显著。
　　球罐内表面应力测定是采用盲孔测定法测定的应变值，经标定子数法得到所有的测点幸免在罐体内表面，每个测点的选取都是具有代表性的。其中，在产生裂纹处选取了 3 点（ 1 点在 BC 环， 6 、 7 点在 CD 环）；在无裂纹处选取 7 点（ 2 、 3 点在 BC 环， 8 点在 CD 环， 4 、 5 点在纵缝上， 9 、 10 点在 DE 环），测定结果见表 3 。

２ 罐体材料的金相组织观察及冶金质量分析
　　在罐体壳板内表面上取样（远离焊接热影响区）制取金相试样，置于金相显微镜下观察，并拍摄金相照片，其结果：表面金相组织为典型的带状组织，珠光体带（黑带）和铁素体带（白色）黑白相间，说明该钢材存在碳的带状组织偏析。带状组织会使金属材料的力学性能产生方向性，使横向的塑性和韧性降低，沿珠光体带与铁素体带边界有时还容易发生应力腐蚀及层状撕裂等缺陷。
　　在罐体内表面裂纹处取样，经砂光和金相抛光，将试样置于显微镜下观察，发现裂纹前端多是“之”字形扩展（见图 1 ）。
　　从图 1b 可见，裂纹的扩展是不连续的，图 1b 中 A 、 B 处裂纹是位于裂纹前沿的次生裂纹，通过次生裂纹扩展与主裂纹相连接，这种裂纹从宏观照片观察，具有层状撕裂的特征。其中主裂纹就是层状撕裂中的“平台”，次生裂纹就是“剪切壁”。
　　另外，在裂纹附近尚能见到尺寸较大且较集中的夹杂物（见图 1a 的 A 处），经电子探针能谱分析证明，该夹杂物为复杂的硅铝酸盐及硫化物。
2 ． 1 裂纹表面及横截面的显微组织分析

　　在罐体内表面宏观裂纹处取样，经砂光及抛光处理，然后用 4% 硝酸酒精溶液进行金相腐蚀，制取了表面裂纹及其截面的金相试样，置于显微镜下进行 100 倍至 800 倍的金相观察，见到裂纹两侧组织为铁素体 + 珠光体，裂纹中有腐蚀产物存在（见图 2a ）。另外，还可见裂纹向母材内部扩展时产生分支，扩展的途径有沿铁素体和珠光体边界，也有穿过铁素体的。并且两侧的组织较粗大，与母材的带状组织形态有明显差别。这说明裂纹是在焊缝热影响区发生扩展的（图 2b 和图 2c ）。
2 ． 2 断口的扫描电镜、电子探针能谱及波谱分析
　　将具有裂纹的试样按图 3 所示的方式弯断，对断口进行扫描，电子显微镜观察。观察部位见图 4 所示， A 处为罐体内表面的腐蚀裂纹源处。经观察：在裂纹处有许多腐蚀产物，局部呈泥浆状，具有典型的腐蚀特征。对腐蚀产物进行了电子探针能谱分析证实其主要为铁的硫化物。 B 处为腐蚀裂纹根部的附近，有腐蚀痕迹和腐蚀产物（图 5a ）。图 5b 是 A 处与 B 处之间的低倍放大，具有许多腐蚀产物，并有与断口表面成一定角度的次 生裂纹。 C 处为腐蚀裂纹尖端部位，可见许腐蚀产物，断口呈氢脆准解理特征（见图 5c ）。图 5d 为 D 处断口形貌， D 处与 E 处为主裂纹前方与主裂纹不相连接的微裂纹，经人为开启后所形成的断口。图 5d 显示了典型的氢脆准解理形貌， E 处为微裂纹前沿的断口形貌，亦为氢脆准解理状态（见图 5e ）。 D 处及 E 处的断口无腐蚀产物，说明该微裂纹与主裂纹不相连接，故而没有进入腐蚀液。 F 处为紧靠微

裂纹前沿的人为弯断的断口，呈氢脆准解理特征，说明该处材料已吸氢脆化（见图 5f ）。另处，对 16MnR 正常组织（ 90 年鞍钢生产）拉伸断口进行扫描电镜观察，呈韧窝状断口。其 结果见图 6 。
2 ． 3 罐体内表层及微裂纹前端离子探针分析
　　罐体内表面腐蚀抗处的氧波谱面分析结果表明氧也参与了罐体内表面腐蚀。离子探针分析结果证明，罐体内表面层腐蚀坑下及主裂纹前端附近具有 0.8 ～ 1.1 ㎜的富氢层。
2 ． 4 罐中充装介质分析
　　液化石油所分析样取之于所分析的球罐中，用面积归一法测定其 H 2 S 含量为 900 10 -6 （ 0.09% ）。
３ 裂纹的成因分析
　　根据前面各项测定数据及试验结果进行分析计算表明，该罐产生裂纹的内部主要条件是壳板有带状组织；外部条件主要有两个：高应力和介质中含有大量的 H 2 S 、 H 2 O 。其中高应力包括：罐体运行中的工作应力和罐体焊接结构的残余应力。
　　裂纹的产生，首先具有了由于 H 2 S 、 H 2 O 所创造的 [H] 源，在罐体内表面产生腐蚀坑与氢致脆化层，而后，随着蚀坑的加深及脆化层厚度的增加，在应力的共同作用下，蚀坑底部和边缘将首先形成微裂纹，在微裂纹前端将形成应力集中，在应力诱导下，氢将向裂纹前端的应力集中区扩散浓集，当此部位氢的浓度达到临界值时，在应力的作用下，就会发生启裂和微裂的相应扩展。其后，氢又不断向新的高应力集中扩散，这种过程可周而复始断续进行，直至成为图 1b 所示的不连续的平行于焊缝的纵向宏观裂纹。同时，在纵向应力的作用下，产生如图 1b 所示的“剪切壁”裂纹，使不连续的裂纹相连接，从而形成表面层状撕裂形态。
　　另外，在裂纹向纵向扩展的同时，伸向母材厚度方向的裂纹尖端在应力集中、电化学腐蚀的共同作用下，不断向母材厚度方向扩展延伸。这一开裂扩展过程，通过对图 4 和图 5 分析，可以认为主要是以应力腐蚀特征开裂。
　　在罐焊接结构中，由于焊接两侧的热影响区应力集中系数较高。因此，裂纹多数都产生在热影响区。由表 1 和表 2 中所示的数据，球罐壳板中 S 、 P 含量超标、 C 含量达到标准值的上线、析质的力学性能下降都为产生裂纹创造了一定的条件。
４ 结论
（１） 裂纹产生的原因主要与高峰值应力及液化石油气中的 H 2 S 、 H 2 O 有关。
（２） 对于具有修复价值的球罐而言，补焊修复工艺的关键是针对具体情况保证焊接接头的焊后质量。即通过焊前预热达到减小焊接区应力和改善金属组织的目的；通过焊后低温热处理达到减少焊接区氢含量。对于大面积补焊，要同时保持焊层间、焊道间的温度。
（３） 球罐在运行时应加强温度控制，以降低应力腐蚀及其速度。