液化石油氣球罐裂紋的成因分析摘要:針對液化石油氣球罐開罐檢驗中存在的大量裂紋，通過分析應(yīng)力腐蝕和氫致裂紋的產(chǎn)生機(jī)理查找球罐裂紋產(chǎn)生的原因，提出采用整體熱處理方法來達(dá)到消氫和降低殘余應(yīng)力的目的，提高和改善球罐的內(nèi)在體質(zhì)，并摸索出一套修復(fù)和防止液化石油氣球罐產(chǎn)生裂紋的較為系統(tǒng)方法。關(guān)鍵詞:球罐裂紋應(yīng)力腐蝕氫致開裂在球罐所產(chǎn)生的各類缺陷中，裂紋是球罐缺陷最常見最多的一類,也是危險性最大的一類缺陷。因此對球罐裂紋產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行分析和研究具有十分重要的意義。1裂紋類型球罐裂紋按發(fā)生的原因來分可以大致歸納為原材料裂紋、焊接裂紋、熱處理裂紋、過載裂紋、疲勞裂紋和腐蝕裂紋。典型的腐蝕裂紋有應(yīng)力腐蝕裂紋和氫致裂紋。（1）原材料裂紋主要指母材在加工軋制過程中形成的缺陷，也包括焊接和熱處理對母材的影響。（2）焊接裂紋主要指球罐在組裝焊接時產(chǎn)生的缺陷。（3）熱處理裂紋即焊后消除應(yīng)力的熱處理過程產(chǎn)生的，常發(fā)生在焊縫的熱影響區(qū)。（4）過載裂紋指外加載荷超過金屬的強(qiáng)度極限而產(chǎn)生的裂紋，常發(fā)生在部件受力最大部位或應(yīng)力集中部位，且裂紋形貌紋理細(xì)長、尖銳，無分枝或分枝很少。（5）疲勞裂紋是因為結(jié)構(gòu)不合理或材料存在缺陷，造成局部壓力過高,經(jīng)過反復(fù)加卸載和應(yīng)力不斷交變產(chǎn)生的裂紋。（6）腐蝕裂紋是在金屬被腐蝕過程中產(chǎn)生的裂紋，典型的腐蝕裂紋是應(yīng)力腐蝕裂紋和氫致裂紋。2應(yīng)力腐蝕裂紋的成因分析應(yīng)力腐蝕裂紋是指金屬在某種特定環(huán)境（介質(zhì)）與相應(yīng)應(yīng)力水平的共同作用下發(fā)生的斷裂，是一種危險很大的失效模式，具有很強(qiáng)的隱蔽性，裂紋緩慢增長過程不表現(xiàn)出任何其他的宏觀跡象，完全呈脆性破壞，在球罐的失效破壞中占有重要地位。據(jù)統(tǒng)計,應(yīng)力腐蝕破壞占腐蝕破壞的42.2%,極易造成重大損失。2.1應(yīng)力腐蝕開裂的特征（1）拉伸應(yīng)力的存在。其應(yīng)力可以是外應(yīng)力，也可以是內(nèi)應(yīng)力，其大小直接影響腐蝕開裂的歷程,存在一個界限應(yīng)力的強(qiáng)度,當(dāng)應(yīng)力滿足這個臨界條件時，才會發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，拉應(yīng)力愈大，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的速率就快。（2）低應(yīng)力的脆性斷裂。發(fā)生應(yīng)力腐蝕的斷口一般都是沿晶開裂或穿晶開裂,往往沒有任何先兆。（3）應(yīng)力腐蝕斷裂時間。應(yīng)力腐蝕斷裂是一種延遲破壞，其裂紋的擴(kuò)展速度較之一般的腐蝕速度快得多，它取決于本身材質(zhì)、介質(zhì)類型、濃度、溫度和應(yīng)力的大小,應(yīng)力腐蝕開裂速度可達(dá)10-6?10-3mm/min。（4）材質(zhì)本身的影響與腐蝕介質(zhì)的組合。材料本身的組織狀態(tài)對應(yīng)力腐蝕影響很大，通常認(rèn)為純組份金屬不發(fā)生應(yīng)力腐蝕，只有在一定介質(zhì)組合下才會發(fā)生應(yīng)力腐蝕,穩(wěn)定的組織對應(yīng)力腐蝕敏感性較小。材料硬度也是發(fā)生應(yīng)力腐蝕的重要因素，硬度高則應(yīng)力腐蝕敏感性大，因此很多國家對球罐中存有H2S的腐蝕介質(zhì)做出規(guī)定，例如美國要求抗應(yīng)力腐蝕的焊縫金屬硬度<HB200,中國要求材料焊縫金屬硬度<HRC22[1]O2.2應(yīng)力腐蝕的開裂機(jī)理應(yīng)力腐蝕開裂是局部腐蝕和應(yīng)力共同作用下發(fā)生的物理化學(xué)過程，具有一定的匹配性和選擇性。金屬材料在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下，經(jīng)過一定的時間后金屬表面的氧化膜會受到侵蝕破壞，形成微小蝕點，相對未破壞點而言,小蝕點就成為陽極，陽極處的金屬成為離子被溶解、腐蝕電流流向陰極使H+放電成為H2逸出。由于陰陽兩極密度不同，很快形成微小溝形裂紋或裂痕，這些微小裂紋的尖端在拉應(yīng)力的不斷作用下和敏感介質(zhì)的反復(fù)誘導(dǎo)下,必然會使微小裂紋不斷地擴(kuò)展并形成新的陽極。隨著陰陽兩極周而復(fù)始地電解，當(dāng)裂紋擴(kuò)大到一定臨界值時必然會加速發(fā)展造成脆斷。2.3應(yīng)力腐蝕的預(yù)防措施發(fā)生應(yīng)力腐蝕的條件是材料、介質(zhì)、拉應(yīng)力的共同存在和相互作用，因此應(yīng)力腐蝕的預(yù)防措施也要從上述三個因素中尋找消除辦法，首先在選擇材料上要選用那些應(yīng)力腐蝕敏感性低的材料;二是要采用熱處理工藝來降低材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕的敏感性，如降低殘余應(yīng)力,減小硬度等，材料表面的硬度愈高發(fā)生應(yīng)力腐蝕的臨界應(yīng)力值愈低，殘余拉應(yīng)力愈大發(fā)生應(yīng)力腐蝕的開裂愈易;三是通過加緩蝕劑或保護(hù)層采用陽極保護(hù)等措施，來阻止介質(zhì)參與應(yīng)力腐蝕，如噴丸處理等;四是嚴(yán)格控制腐蝕性介質(zhì)的濃度。3球罐氫致裂紋的成因分析3.1焊接區(qū)氫的擴(kuò)散逸出及來源在1個大氣壓的氫氣壓力下，氫在純鐵中的平衡溶解度,400°C時約為0.3mL/100g,室溫時約為0.0005mL/100g,但鋼材焊接區(qū)的氫含量在室溫下卻有數(shù)毫升?10mL/100g，因此過剩的氫就以原子狀態(tài)聚積在品內(nèi)缺陷或者以分子狀氫存在于晶界上。在焊接區(qū)的冷卻過程中氫從表面逸出的同時還向母材的熱影響區(qū)擴(kuò)散，隨著時間的推移氫的擴(kuò)散情況則因焊條與母材組合的不同而有明顯的差別。對低碳鋼，氫向母材擴(kuò)散比較容易，熔合區(qū)的氫含量隨著時間的推移逐漸減少;對高碳鋼，熱影響區(qū)內(nèi)產(chǎn)生馬氏體組織，氫的擴(kuò)散系統(tǒng)小，氫母材擴(kuò)散阻力大,相對氫含量就少。3.2氫致裂紋的成因分析鋼的氫脆是氫致裂紋的主要成因,當(dāng)鋼中含有飽和氫的情況下，在常溫狀況就會發(fā)生裂紋、塑性降低或產(chǎn)生白點等問題。一般來說，高強(qiáng)度鋼焊接區(qū)的各種冷裂紋都是由于鋼的氫脆性引起的，并伴以不斷的擴(kuò)展。由于氫的擴(kuò)散需要一定的時間，因此發(fā)生氫致裂紋要經(jīng)歷一個時期，顯現(xiàn)出所謂延遲裂紋。3.3影響氫致裂紋的因素（1）熔合區(qū)的塑性影響。如果熱影響區(qū)的粗品段的塑性不足，必然會產(chǎn)生根部裂紋。在氫脆的作用下，塑性降低,當(dāng)硬度在某個臨界值以上時就發(fā)生裂紋，鋼種不同,硬度的臨界值也不同。（2）擴(kuò)散氫含量的影響。氫的擴(kuò)散是焊接過程不可避免的一種現(xiàn)象，由于在液體金屬狀況下，氫擴(kuò)散的阻力小,溶解度高，擴(kuò)散氫含量增多就易產(chǎn)生裂紋。（3）拘束應(yīng)力。對球罐而言，拘束應(yīng)力主要指殘余應(yīng)力，它的來源一是強(qiáng)制組裝的殘余應(yīng)力;二是焊接時因焊接區(qū)和母材區(qū)存在較大的溫度梯度而變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，較大的殘余應(yīng)力多發(fā)生在組裝的卡具點處,焊接的熔合區(qū)及其熱影響區(qū)，多呈拉伸應(yīng)力,是直接導(dǎo)致氫致裂紋的主要因素。因此在球罐投用前都需做整體熱處理其目的就是消除殘余應(yīng)力。4結(jié)語（1）裂紋成因的研究表明焊接殘余應(yīng)力過大和H2S的濃度超標(biāo)是造成裂紋的根源，也是導(dǎo)致球罐體質(zhì)下降（如氫的損傷和脆化）的主要因素。硬度是一個重要的衡量指標(biāo)。（2）整體熱處理方法是消氫和降