液化石油气球罐裂纹的成因分析.pdf

液化 石油气球罐裂纹的成 因分析 姜 义 大庆 石 化公司 化工三 厂 黑龙 江大 庆 1 6 3 7 1 4 工业 技术 摘要 针对液化 石油气球罐开罐检 验 中存在 的大量裂纹 ， 通过分析应 力腐蚀和氢致裂纹 的产生机理 查找球 罐裂纹 产生 的原因 ， 提 出采 用 整体热处理 方法来达 到消氢和降低 残余应 力的 目的 ， 提 高和改 善球 罐的 内在体 质 ， 并摸 索 出一套修 复和 防止 液化石 油气球 罐产生 裂纹 的 较 为 系统 方 法 。 关键词 球罐 裂纹 应 力腐蚀 氢致开裂 中 图分 类号 T E9 7 2 文献 标 识 码 A 文章 编 号 1 6 7 2 --3 7 9 1 2 0 1 1 0 3 a 一o 1 o o o 1 在 球 罐 所 产 生 的 各 类 缺 陷 中 ， 裂纹 是 球 罐 缺 陷 最 常 见 最 多 的 一 类 ， 也 是 危 险 性 最 大 的 一 类 缺 陷 。 因此 对 球 罐 裂 纹 产 生 的 机理 进行 分析 和研 究具 有十 分重 要 的意 义 。 1 裂纹类型 球 罐 裂 纹 按 发 生 的 原 因来 分 可 以 大致 归纳 为原材料 裂纹 、 焊 接裂 纹 、 热 处理裂 纹 、 过 载 裂 纹 、 疲 劳 裂 纹 和 腐 蚀 裂 纹 。 典 型 的腐蚀裂纹有应力腐蚀裂纹 和氢致裂纹 。 1 原 材 料 裂纹 主要 指 母 材 在加 工轧 制 过 程 中 形 成 的 缺 陷 ， 也 包 括 焊 接 和 热 处 理 对母材的影响。 2 焊接裂纹主要指球罐在 组装焊接时产生的缺 陷。 3 热处理裂纹即 焊 后 消 除 应 力 的 热 处 理 过 程 产 生 的 ， 常 发 生 在 焊缝 的热 影 响 区 。 4 过 载 裂 纹 指 外加 载 荷 超 过 金 属 的 强 度 极 限 而 产 生 的 裂纹 ， 常 发 生 在 部件 受 力最 大 部 位 或 应 力 集 中 部 位 ， 且 裂 纹 形 貌 纹 理 细 长 、 尖 锐 ， 无 分 枝 或 分 枝 很少 。 5 疲 劳 裂 纹 是 因 为 结 构 不 合理 或材料存在缺 陷， 造成局部 压力过高 ， 经过 反复加卸载和 应力不断 交变 产生的 裂纹 。 6 腐蚀裂纹是 在金属被腐蚀 过程 中产生 的 裂 纹 ， 典 型的 腐 蚀 裂 纹 是 应 力 腐 蚀 裂 纹 和 氢 致 裂 纹 。 2 应力腐蚀裂纹的成因分析 应 力腐 蚀 裂 纹是 指 金 属 在 某 种 特 定 环 境 介 质 与 相 应 应 力 水 平 的共 同 作 用 下 发 生 的 断 裂 ， 是 一 种 危 险 很 大 的失 效 模 式 ， 具 有 很 强 的 隐 蔽 性 ， 裂 纹 缓 慢 增 长 过 程 不 表 现 出任 何其他的宏观 迹象 ， 完全呈脆性 破 坏 ， 在球 罐 的 失 效 破 坏 中 占有 重要 地 位 。 据 统计 ， 应 力腐蚀破坏 占腐蚀破坏的4 2 ． 2 ％， 极 易 造 成 重 大 损失 。 2． 1应力腐蚀开裂的特征 1 拉 伸 应 力 的 存 在 。 其 应 力可 以是 外 应力， 也可以是 内应力 ， 其大小直接影响腐 蚀 开裂 的 历 程 ， 存在 一 个 界 限 应 力 的 强 度 ， 当 应 力 满 足 这 个 临 界 条 件 时 ， 才 会 发 生 应 力腐蚀开裂 ， 拉应 力愈大 ， 发生应力腐蚀开 裂的 速率 就 快 。 2 低应 力 的 脆性 断 裂 。 发 生 应 力腐蚀的断 口一般 都是沿 晶开裂或穿晶 开裂， 往往没有任何先兆 。 3 应 力腐蚀断 裂 时 间。 应 力腐 蚀 断 裂 是 一 种 延 迟破 坏 ， 其 裂 纹 的扩展 速度 较之 一般 的腐 蚀速 度快 得 多 ， 它取决于本身材 质、 介质类型、 浓度 、 温 度和应 力的大小 ， 应力腐蚀 开裂速度可达 1 0 ～l 0 3 ram／ rai n。 4 材 质本 身的影 响与腐 蚀 介 质 的 组 合 。 材 料 本 身 的 组 织 状 态 对 应 力腐 蚀影响很大 ， 通常认为纯组 份金 属不 发 生 应 力 腐 蚀 ， 只 有 在 一 定 介 质组 合 下 才 会发生应 力腐蚀 ， 稳 定的组织对应 力腐蚀 敏感性 较小。 材料硬 度也是发生应 力腐蚀 的 重 要 因 素 ， 硬 度 高 则 应 力 腐 蚀 敏感 性 大 ， 因此很 多国家对球 罐 中存有H s 的腐蚀介 质 做 出规 定 ， 例 如 美 国 要 求 抗 应 力 腐 蚀 的 焊缝金属硬度 ≤H B 2 0 0 ， 中国要求材料焊缝 金属 硬 度 ≤I { RC2 2 [ 1 。 2 ． 2应力腐蚀的开裂机理 应力腐蚀开裂是局部腐蚀和应 力共 同 作 用 下 发 生 的 物 理 化 学 过 程 ， 具 有 一 定 的 匹配性和选择 性。 金属材料 在拉应力和腐 蚀 介 质 的 共 同 作 用 下 ， 经过 一 定 的 时 间 后 金 属 表 面 的 氧 化 膜 会 受 到 侵 蚀 破 坏 ， 形 成 微 小 蚀 点 ， 相 对未 破 坏 点 而 言 ， 小 蚀 点就 成 为阳 极 ， 阳 极 处 的金 属 成 为 离 子 被溶 解 、 腐 蚀 电 流流 向 阴极 使 H放 电 成 为H， 逸 出 。 由 于 阴 阳 两 极 密 度 不 同 ， 很 快 形 成 微 小 沟 形 裂纹或裂 痕 ， 这些微 小裂纹的尖端 在拉 应 力 的 不 断 作 用 下 和 敏 感 介 质 的 反 复 诱 导 下 ， 必然会 使微小 裂纹不断地扩展并 形成 新 的 阳极 。 随 着 阴 阳两 极 周而 复始 地 电解 ， 当 裂 纹扩 大到 一 定 临 界 值 时 必 然 会 加速 发 展 造 成 脆 断 。 2 ． 3 应力腐蚀的预防措施 发生应力腐蚀的条件是材料、 介质、 拉 应 力 的 共 同存 在 和 相 互 作 用 ， 因此 应 力 腐 蚀的预防措施也要从上述三个因素 中寻找 消除 办法 ， 首先在 选择材料上 要选 用那些 应 力腐蚀敏感性 低的材料 ； 二是要 采用热 处 理 工 艺 来 降 低 材 料 发 生 应 力腐 蚀 的 敏 感 性 ， 如降低残余应 力 ， 减小硬度等 ， 材料表 面 的 硬 度 愈 高 发 生 应 力 腐蚀 的临 界 应 力 值 愈低 ， 残余拉应 力愈 大发生应 力腐蚀 的开 裂 愈 易 ； 三 是 通 过 加 缓 蚀 剂 或 保 护 层 采 用 阳极保护 等措施 ， 来 阻止 介质参与应 力腐 蚀， 如喷丸处理等 ； 四是严格控制腐蚀性介 质 的 浓 度 。 3 球罐氢致裂纹的成因分析 3 ． 1焊接区氢的扩散逸出及来源 在 1 个 大 气 压 的 氢 气 压 力 下 ， 氢 在 纯 铁 中 的 平 衡 溶 解 度 ， 4 0 0℃ 时 约 为 0． 3 1T I L／ 1 0 0 g ， 室温时 约为0． 【 】 】 0 5 mL ／1 0 0 g， 但钢材 焊 接 区 的 氢 含 量 在 室 温 下 却 有 数 毫 升 ～ 1 0 mL ／1 0 0 g ， 因此过剩的氢就以原子状态聚积 在 品 内缺 陷或 者 以分 子状 氢存在 于 晶界 上 。 在焊 接区的冷 却过程中氢从表 面逸 出 的 同时 还 向 母 材 的 热影 响 区 扩 散 ， 随 着 时 间的推 移氢 的扩散情 况则 因焊条与母材组 o O 科 技资讯S CIEN C E ＆ T E CH N OL OGY I N F OR MATI ON 合 的 不 同而 有 明显 的差 别 。 对 低 碳 钢 ， 氢 向 母 材 扩 散 比较 容 易 ， 熔 合 区 的 氢 含 量 随 着 时间的推移逐渐减少； 对高碳钢 ， 热影响区 内产生马氏体组织 ， 氢的扩散系统小， 氢母 材 扩 散 阻 力大 ， 相 对 氢 含 量 就 少 。 3． 2氢致裂纹的成因分析 钢 的 氢 脆 是 氢 致 裂 纹 的 主 要 成 因 ， 当 钢 中 含 有 饱 和 氢 的 情 况 下 ， 在 常 温 状 况 就 会发生裂纹、 塑性降低或产生 白点等问题。 一 股来说 ， 高强度钢焊接 区的各种冷 裂纹 都 是 由于 钢 的 氢 脆 性 引起 的 ， 并 伴 以 不 断 的 扩 展 。 由于 氢 的 扩 散需 要 一 定 的 时 间 ， 因 此 发 生 氢 致 裂 纹 要 经 历一 个 时 期 ， 显 现 出 所 谓 延 迟 裂纹 。 3 ． 3影响氢致裂纹的因素 1 熔 合 区 的 塑性 影 响 。 如 果 热 影 响 区 的粗 晶 段 的 塑 性 不 足 ， 必 然 会 产 生 根 部 裂 纹 。 在 氢 脆 的 作 用 下 ， 塑 性 降低 ， 当 硬 度 在 某个临界值以上时就发生裂纹， 钢种 不同， 硬度 的临界值也不 同。 2 扩散氢含量的影 响 。 氢 的扩散是焊接 过程 不可避免 的一种 现象， 由于在液体金属状 况下， 氢扩散的阻 力小， 溶解度高 ， 扩散氢含量增多就易产生 裂 纹 。 3 拘 束 应 力 。 对 球 罐 而 言 ， 拘 束应 力 主 要 指 残 余 应 力 ， 它 的 来 源一 是 强 制 组 装 的 残 余 应 力 ； 二 是 焊 接 时 因焊 接 区 和 母 材 区 存 在 较 大 的温 度 梯 度 而 变 形 产 生 的 残 余 应力 ， 较大 的残余应 力多发生 在组装 的卡 具 点处 ， 焊 接 的 熔 合 区 及其 热 影 响 区 ， 多 呈 拉 伸 应 力 ， 是 直 接 导 致 氢 致 裂 纹 的 主 要 因 素。 因此在球罐投用前都需做整体热处理 ， 其 目的就 是 消 除 残 余 应 力 。 4 结语 1 裂纹 成 因的 研究 表 明 焊 接 残 余应 力 过 大 和H2 S 的 浓度 超标 是 造 成裂 纹 的根 源 ， 也 是 导 致 球 罐 体 质 下 降 如 氢 的 损 伤 和 脆 化 的主要因素。 硬度是一个重要的衡量指 标。 2 整体热处理方法是消氢和降低残余 应力的 最有效措施之一 ， 也是改善球罐 体 质 的 有 效 途 径 ， 热 处 理 后 的残 余 应 力可 以 得到 了较 大程 度的释放 ， 对改善球罐的 可 焊 性 也 有 一 定 的益 处 。 参考文献 [ 1 ]赵志平 ， 李有堂 ， 党延祖 ． 金属材料疲劳 设计及裂纹扩展规律研究与应 用[ J ] ． 石 油矿场机械 ， 2 0 l 0 ， 3 9 9 3 8 ～4 1 ．