(廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院佛山檢測(cè)院 佛山 528000)
裂紋是金屬在應(yīng)力與外界環(huán)境共同作用下,形成的局部不連續(xù)區(qū)域,其末端尖銳,呈現(xiàn)出較高的應(yīng)力集中現(xiàn)象,是液化石油氣(LPG)儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏事故的誘因。在罐體內(nèi)部高壓與尖端集中應(yīng)力的作用下,初生裂紋不斷生長(zhǎng),最終穿透罐體引起LPG泄漏。泄漏的LPG氣體與空氣混合,在外界因素作用下,極易引發(fā)火災(zāi)爆炸事故,造成嚴(yán)重事故后果[1]。因此,研究LPG儲(chǔ)罐裂紋形成機(jī)理,對(duì)保證LPG的存儲(chǔ)安全、預(yù)防災(zāi)害事故的發(fā)生具有重要意義。
本文以某LPG氣站1#儲(chǔ)罐a10裂紋為研究對(duì)象,采用理化檢驗(yàn)方法,獲取裂紋及附近區(qū)域金屬的金相組織結(jié)構(gòu)、微量元素構(gòu)成及硬度表現(xiàn)情況,進(jìn)而分析裂紋形成機(jī)理;對(duì)a3、a5、a11裂紋進(jìn)行理化檢測(cè),驗(yàn)證a10裂紋分析結(jié)果的可靠性。
某氣站儲(chǔ)罐區(qū)共設(shè)置7臺(tái)100m3臥式LPG儲(chǔ)罐和1臺(tái)15m3臥式LPG殘液罐,各儲(chǔ)罐沿東西向平行布置,單位內(nèi)編號(hào)依次為1#~8#。2018年3月,對(duì)該氣站1#、2#及8#罐進(jìn)行定期檢驗(yàn),結(jié)果顯示,1#罐筒體環(huán)焊縫B5熱影響區(qū)表面共存在11處裂紋(a1~a11),裂紋主要分布于罐體液相空間中下部及氣相空間上部,走向大致與焊縫垂直,長(zhǎng)度介于5~15mm之間,打磨2~3mm后進(jìn)行MT復(fù)探,裂紋仍然存在(見(jiàn)圖1~圖3),對(duì)裂紋周邊區(qū)域進(jìn)行超聲波檢測(cè),未發(fā)現(xiàn)深部埋藏缺陷。
圖1 1#罐沿頂部母線展開(kāi)圖
圖2 B5焊縫裂紋剖面定位圖
圖3 復(fù)探裂紋a10(10mm)
1#罐體材質(zhì)選用低合金鋼16MnR,執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB 6654—1996《壓力容器用鋼材》,本體由8個(gè)筒節(jié)、2個(gè)橢圓形封頭對(duì)焊成型,其中環(huán)焊縫B1~B4、B6~B7采用埋弧自動(dòng)焊焊接,B5采用手工電弧焊焊接,焊后熱處理選取580℃整體退火工藝,保溫時(shí)間1h。根據(jù)氣站提供的資料,獲取儲(chǔ)罐基本參數(shù)(見(jiàn)表1)。
表1 1#罐基本參數(shù)
取裂紋a10為研究對(duì)象,分別采用金相檢測(cè)、光譜分析及硬度測(cè)定三種理化檢驗(yàn)方法,綜合分析裂紋及其附近區(qū)域金屬的理化特性,研究裂紋的形成機(jī)理。
現(xiàn)場(chǎng)對(duì)裂紋a10及附近區(qū)域進(jìn)行機(jī)械拋光,打磨深度約1.5mm,以4%硝酸酒精溶液腐蝕金屬表面,獲取腐蝕后金屬表面形態(tài)[2];應(yīng)用金相顯微鏡在放大200倍條件下,分別對(duì)焊縫、裂紋區(qū)域及母材進(jìn)行金相檢測(cè),獲取各區(qū)域金相圖譜(見(jiàn)圖4~圖7)。
圖4 腐蝕后金屬表面
從圖4可以看出,裂紋附存于熱影響區(qū),尖端往焊縫方向生長(zhǎng),走向與焊縫近似垂直。在裂紋附近的熱影響區(qū)內(nèi)存在異常區(qū)域,較之其他區(qū)域,該區(qū)域表面顏色較淺,形狀不規(guī)則,弧形邊界清晰可見(jiàn),此類(lèi)型區(qū)域在1#罐其他10處裂紋附近均有發(fā)現(xiàn)。
從圖5至圖7可以看出,母材顯微組織為鐵素體3]+珠光體[4],鐵素體為白色基體,片狀珠光體呈塊狀分布,晶界清晰,晶粒球化級(jí)別低,為正常退火熱處理所得16MnR組織;焊縫顯微組織為鐵素體+珠光體+少量貝氏體,鐵素體呈塊狀,沿柱狀晶分布,內(nèi)含少量珠光體,為正常的焊縫組織;裂紋金屬(異常區(qū)域)顯微組織與母材金屬存在較大差異,與焊縫金屬基本相同,二者金相成分、晶粒大小均具有較高的相似性,非正常熱影響區(qū)顯微組織,初步斷定異常區(qū)域與焊縫區(qū)域金屬材質(zhì)相同。
圖5 母材金相圖(×200倍)
圖6 裂紋金相圖(×200倍)
采用全定量式光譜儀對(duì)焊縫、異常區(qū)域及母材金屬進(jìn)行光譜分析,獲取各區(qū)域金屬主要微量元素含量(見(jiàn)表2)。從表2可以看出,母材、焊縫金屬主要微量元素含量,均處于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的16MnR鋼板及相應(yīng)焊條微量元素含量范圍內(nèi),滿足GB 6654—1996的要求。二者在P、S、Si、Mn、Cu等微量元素含量上相近,對(duì)外界環(huán)境具有相似的理化抗性;較之母材,焊縫金屬C含量較低,具有良好的焊接性能,能夠較好地實(shí)現(xiàn)相鄰?fù)补?jié)的焊接連接。
母材受焊接高溫的作用,微觀組織發(fā)生變化,形成熱影響區(qū),其基本元素構(gòu)成不變。從表2可看出,異常區(qū)域金屬主要微量元素含量與焊縫金屬基本相同,與母材存在較大差異,尤其表現(xiàn)在C含量上,前者約0.07%~0.08%,后者約0.15%~0.17%,后者接近前者2倍,非正常熱影響區(qū)金屬微量元素組分構(gòu)成。
表2 裂紋附近區(qū)域金屬主要微量元素含量(%)
結(jié)合金相與光譜分析結(jié)果可以判定,儲(chǔ)罐B5合攏環(huán)焊縫成型后,其附近多處區(qū)域曾進(jìn)行二次焊接作業(yè),二次焊接與首次焊接采用的焊條材質(zhì)相同。審查1#罐歷史資料發(fā)現(xiàn),該罐自投入使用至今,無(wú)補(bǔ)焊維修記錄,因此,二次焊接作業(yè)發(fā)生于儲(chǔ)罐制造時(shí)期。
圖7 焊縫金相圖(×200倍)
采用里氏硬度計(jì)測(cè)定各區(qū)域金屬硬度,換算成布氏硬度[5],獲取金屬表面硬度值(見(jiàn)表3)。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)組焊的壓力容器,在完成容器局部或整體熱處理工藝后,焊縫附近區(qū)域金屬硬度應(yīng)滿足式(1)的要求。
從表3中可以看出,焊縫附近各區(qū)域硬度由高到低依次為:異常區(qū)域、焊縫、正常熱影響區(qū)、母材。其中,焊縫和正常熱影響區(qū)金屬硬度平均值為172HB、161HB,屬于16MnR材質(zhì)退火熱處理后正常硬度范圍,小于式(1)要求的硬度閾值185HB;異常區(qū)域金屬硬度平均值253HB,與焊縫金屬硬度平均值相差81HB,遠(yuǎn)大于焊縫硬度閾值185HB,屬于非正常硬度范圍。
表3 布氏硬度值(單位:HB)
結(jié)合金相、光譜及硬度檢測(cè)結(jié)果可以判定,B5合攏環(huán)焊縫二次焊接發(fā)生在首次焊接焊后熱處理結(jié)束后的一段時(shí)期,二次焊接作業(yè)完成后,施焊區(qū)域未再次進(jìn)行局部或整體焊后熱處理工作,因二次施焊區(qū)域?yàn)檫M(jìn)行過(guò)焊后熱處理,故該區(qū)域保持著焊縫最原始的組織形態(tài),從而在首次焊接的焊縫熱影響區(qū)域內(nèi)形成多處硬度值偏高的區(qū)域。較之正常熱影響區(qū),此區(qū)域內(nèi)金屬物理力學(xué)性能存在較大差異,在金相腐蝕表面顯示顏色較淺,與周邊區(qū)域之間具有鮮明的邊界,為正常熱影響區(qū)內(nèi)的異常區(qū)域(見(jiàn)圖4)。
焊縫金屬硬度高、脆性大、塑性差,較之母材更容易發(fā)生脆性開(kāi)裂。理化檢測(cè)結(jié)果顯示,1#罐a10裂紋斷口平直,斷面較光滑,呈穿晶形態(tài)發(fā)展,主體帶有分支,末端尖細(xì),走向近似垂直焊縫,屬于典型的脆性開(kāi)裂裂紋(見(jiàn)圖4、圖6)。
在容器使用過(guò)程中,焊縫脆性裂紋的形成機(jī)理可以分為三類(lèi):
1)腐蝕環(huán)境下,金屬拉應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)共同作用,引發(fā)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂;
2)金屬承受超出極限抗拉強(qiáng)度的拉應(yīng)力,導(dǎo)致脆性開(kāi)裂;
3)金屬制造過(guò)程遺留的微小缺陷,在使用過(guò)程中不斷生長(zhǎng),引起脆性開(kāi)裂。
LPG儲(chǔ)罐的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂主要是濕H2S環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂[6],根據(jù)氣站提供的資料,1#罐歷年LPG分析報(bào)告未發(fā)現(xiàn)H2S成分,不具備濕H2S應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂條件。1#罐于1993年投入使用,至今運(yùn)行已25年,期間運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定,歷次全面檢驗(yàn)報(bào)告均未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷,不存在承受超出極限抗拉強(qiáng)度拉應(yīng)力的情況。因此,a10裂紋屬于制造遺留微小缺陷引發(fā)的脆性裂紋。
根據(jù)理化檢測(cè)結(jié)果,a10裂紋附存于二次焊接施焊區(qū)域,該區(qū)域布氏硬度平均值達(dá)253HB,具有很高的焊接殘余應(yīng)力。由于未進(jìn)行焊后熱處理,焊接完成后,金屬深部區(qū)域產(chǎn)生微小缺陷,受焊接殘余應(yīng)力與內(nèi)部高壓的作用,微小缺陷不斷生長(zhǎng),最后形成裂紋。
就工作應(yīng)力而言,采用彈塑性力學(xué)無(wú)力矩理論對(duì)裂紋區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力[7]計(jì)算。在上述分析中得知,裂紋區(qū)域?yàn)檠a(bǔ)焊過(guò)的區(qū)域,且該區(qū)域補(bǔ)焊后未再次進(jìn)行焊后熱處理,導(dǎo)致該區(qū)域的焊接殘余應(yīng)力遠(yuǎn)大于其他主焊縫(縱焊縫和環(huán)焊縫)的焊接殘余應(yīng)力。在工作應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力的相互疊加作用下,裂紋區(qū)域應(yīng)力分布圖如圖8所示,其中z軸代表厚度方向的徑向應(yīng)力,y軸代表軸向方向的軸向應(yīng)力,x代表環(huán)向方向的環(huán)向應(yīng)力。獲取該區(qū)域環(huán)向應(yīng)力σβ、軸向應(yīng)力σθ與徑向應(yīng)力σp。
圖8 裂紋區(qū)域應(yīng)力分析圖
其中,p——儲(chǔ)罐內(nèi)壓,MPa;D——罐體內(nèi)徑,mm;δ——罐體壁厚,mm,應(yīng)力方向以拉應(yīng)力為正,壓應(yīng)力為負(fù)。根據(jù)式(2)可知,σβ=2σθ。因此,拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂紋,其走向應(yīng)與環(huán)向應(yīng)力垂直。
在實(shí)際檢驗(yàn)中,合攏環(huán)焊縫B5布置于筒體中間,沿筒體環(huán)向布置,裂紋a1~a11位于合攏環(huán)焊縫B5附近,沿筒體縱向分布,即裂紋走向?yàn)榇怪庇诤蠑n環(huán)焊縫B5方向。即驗(yàn)證了裂紋走向與環(huán)向應(yīng)力垂直,滿足了式(2)的要求。
為驗(yàn)證a10裂縫形成機(jī)理分析結(jié)果的可靠性,選取1#罐a3、a5、a11裂紋為研究對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行理化檢測(cè)。結(jié)果顯示,a3、a5、a11裂紋形狀與a10相似,其走向基本與環(huán)焊縫垂直,均附存于熱影響區(qū)內(nèi)異常區(qū)域。異常區(qū)域內(nèi)金屬顯微組織與焊縫金屬顯微組織相近(見(jiàn)圖9、圖10),微量元素成分與焊縫金屬相似,布氏硬度平均值遠(yuǎn)大于正常熱影響區(qū)硬度值,分別為248HB、239HB及252HB。可以判定,由于二次焊接后未進(jìn)行焊后熱處理,金屬深部微小缺陷不斷生長(zhǎng),在各施焊區(qū)域發(fā)展為不同長(zhǎng)度的表面裂紋。a3、a5、a11裂紋的理化檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了a10裂紋的分析結(jié)果。
圖9 a5裂紋金屬腐蝕表面
圖10 a5裂紋金相圖(×200倍)
以某氣站1#LPG儲(chǔ)罐B5焊縫熱影響區(qū)a10裂紋為研究對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行理化檢測(cè),分析裂紋形成機(jī)理,結(jié)果表明:
1)裂紋斷口平直,斷面光滑,呈穿晶形態(tài)發(fā)展,主體帶有分支,末端尖細(xì),走向近似與垂直焊縫,為典型脆性裂紋。
2)裂紋附近異常區(qū)域?yàn)槎魏附幼鳂I(yè)施焊區(qū)域,該區(qū)域在焊接完成后未開(kāi)展焊后熱處理工作,在金屬深部區(qū)域形成局部微小缺陷。
3)受高焊接殘余應(yīng)力與罐體內(nèi)壓的共同作用,二次施焊區(qū)域金屬深部微小缺陷不斷生長(zhǎng),在各施焊區(qū)域發(fā)展為不同長(zhǎng)度的表面裂紋。
4)a3、a5、a11裂紋的理化檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了a10裂紋的分析結(jié)果。