壓力容器在使用中，裂紋的產(chǎn)生是經(jīng)常的事。正確判斷裂紋的性質(zhì)，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(shí)，發(fā)現該貯罐第三筒節上的兩道縱焊縫(長(cháng)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(chǎng)檢驗觀(guān)察，這些多條密集細小磁痕的長(cháng)度在3mm～30mm之間，相互問(wèn)相對平行，且全部與縱焊縫基本垂直，單條磁痕無(wú)分枝顯象。當光線(xiàn)垂直于鋼板表面照射時(shí)觀(guān)察，這些磁痕相對比較細微，當光線(xiàn)沿軸向與鋼板約成45。角度照射時(shí)觀(guān)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(guān)察的磁痕形貌示意如下：

    該罐1995年11月出廠(chǎng)，容積50m3，φ2600mm×9912mm，材質(zhì)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(jìn)行過(guò)檢驗，經(jīng)查該罐的檢驗報告，當時(shí)在這一區域未發(fā)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(jìn)行檢驗。

    經(jīng)過(guò)對這兩條縱焊縫兩側的磁痕進(jìn)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(chǎn)生的，既這些裂紋產(chǎn)生的時(shí)間并不長(cháng)。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(wú)分枝。因觀(guān)察角度不同，磁痕有著(zhù)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(chǎng)的觀(guān)察及裂紋的形貌如上所述。這些裂紋是如何產(chǎn)生的?屬于什么性質(zhì)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(huán)境。該貯罐自投用以來(lái)，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(zhì)。而H2S是一種腐蝕介質(zhì)，特別是在還有H20的環(huán)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(guò)程中，由于某種因素的影響，造成其內部存在著(zhù)較大的組裝應力，同時(shí)，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(huán)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(zhì)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(chǎn)生是材料在腐蝕介質(zhì)的作用下，由于金屬表面局部處發(fā)生電化學(xué)作用，產(chǎn)生了微裂紋，腐蝕介質(zhì)的繼續作用，導致裂紋的擴展。在腐蝕裂紋已發(fā)生的情況下，如果裂紋尖端存在著(zhù)較大的應力，在腐蝕介質(zhì)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(xiàn)方向)無(wú)規則的角度。這表明裂紋不是沿著(zhù)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(chǎn)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(zhù)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(méi)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(chǎn)生的裂紋。交變載荷是指它的大小和方向隨時(shí)問(wèn)周期性變化的載荷。盡管載荷所產(chǎn)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(chǎn)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(zhì)存在，由于腐蝕介質(zhì)的作用，會(huì )使材料的抗疲勞能力下降，材料就會(huì )在更低的交變應力作用下，產(chǎn)生腐蝕疲勞裂紋。

    據有關(guān)資料說(shuō)明，交變載荷的交變次數在102~105次之間就可能產(chǎn)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(huì )產(chǎn)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(wú)分枝；裂紋一產(chǎn)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(shí)，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(huán)境有沒(méi)有產(chǎn)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(chǎn)生疲勞裂紋。

    根據有關(guān)試驗資料，露天放置的容器，環(huán)境溫度T與罐內溫度Tn存在如下的經(jīng)驗關(guān)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(guān)資料可知，丙烷的壓力P與溫度Tn存在如下對應關(guān)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(huán)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(huán)境溫度的變化為例，如當環(huán)境溫度T從15.9℃(夜晚)~33.6℃(中午)~15.9℃(夜晚)變化時(shí)，根據經(jīng)驗關(guān)系式可知，罐內溫度Tn就在20～45～20(℃)變化，這時(shí)，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(jīng)歷了一個(gè)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(gè)隨時(shí)間(每天)變化的交變壓力?，F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(lái)，雖然環(huán)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(zhù)罐內壓力隨時(shí)問(wèn)的交變，罐體材料所受的應力也隨著(zhù)同時(shí)交變。由此說(shuō)明，該貯罐在使用過(guò)程中，由于環(huán)境溫度的變化，貯罐材料確實(shí)在承受著(zhù)交變的應力的作用，而應力的交變幅值達500/0～1000/0。同時(shí)，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(chǎn)生疲勞裂紋所應達到的應力交變的幅值(20%)。也就是說(shuō)，就交變載荷而言，該罐已滿(mǎn)足了產(chǎn)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(zhì)的多次充裝，每次充裝都會(huì )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(chǎn)生疲勞裂紋的條件。

    同時(shí)，由于罐內腐蝕介質(zhì)硫化氫(H2S)的存在，會(huì )使材料的抗疲勞能力下降，就更容易產(chǎn)生疲勞裂紋，這種情況下產(chǎn)生的裂紋，稱(chēng)之為腐蝕疲勞裂紋。

    通過(guò)以上分析，該罐在使用過(guò)程中，已具備了產(chǎn)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(chǎn)生不久的疲勞裂紋(或是腐蝕疲勞裂紋)。