關(guān)于液化天然氣罐車罐體脆裂及磁翻板液位計(jì)泄露問(wèn)題分析
返回列表發(fā)布日期：2019-06-21 10:56:19 |
摘 要 ：某單位一液化天然氣罐車罐體發(fā)生泄漏，檢查發(fā)現(xiàn)罐體后封頭外殼局部脆裂。文中通過(guò)宏觀檢查、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、無(wú)損檢測(cè)、氣密性試驗(yàn)等技術(shù)手段進(jìn)行分析，提出外殼局部脆裂是由于磁翻板液位計(jì)氣相管接管與管座接頭連接焊縫處斷裂，導(dǎo)致低溫液化天然氣泄漏所致，而接管斷裂是在雙向彎曲應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞裂紋并擴(kuò)展所致。最后 , 提出了事故的有效預(yù)防措施。某單位一臺(tái) LNG 罐車在加氣站卸液時(shí)，罐車罐體后封頭外殼下部局部脆裂（見(jiàn)圖 1），引起天然氣泄漏事故。受委托，筆者對(duì)其開(kāi)展事故分析。
該罐車的產(chǎn)品型號(hào)為 HDS9405GDY，制造日期為2015 年 2 月，所有連接管線開(kāi)孔集中在后封頭下部，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表 1。
1 技術(shù)分析
1.1 宏觀檢查
將后封頭外殼局部解體，經(jīng)宏觀檢查，內(nèi)筒后封頭無(wú)可見(jiàn)變形，從圖 1 觀察可發(fā)現(xiàn)，外殼后封頭開(kāi)裂其裂口均源自接管與封頭外殼角焊縫處。外殼后封頭裂塊及氣相管、管座形貌見(jiàn)圖 2，觀察可見(jiàn)其外殼后封頭破裂斷口無(wú)任何塑性變形，呈現(xiàn)典型脆性斷裂特征。接管與內(nèi)筒角焊縫無(wú)表面缺陷。磁翻板液位計(jì)氣相接管與外筒管座連接處發(fā)生斷裂。
氣相接管宏觀斷口形貌見(jiàn)圖 3，該斷口宏觀上無(wú)塑性變形痕跡 , 有兩個(gè)特點(diǎn)鮮明的區(qū)域：
1）裂紋源區(qū)：裂源有兩處，分別位于氣相接管斷口對(duì)側(cè)，處于上下方位，出現(xiàn)在氣相接管角焊縫熔合區(qū)，見(jiàn)圖 3 箭頭所指；
2）裂紋擴(kuò)展區(qū) ( 疲勞區(qū) )：該區(qū)域具有明顯的海灘狀或貝紋狀花紋，占有較大面積 , 代表裂紋前沿?cái)U(kuò)展遺留下的痕跡，逆指向裂紋源。由于裂紋擴(kuò)展區(qū) ( 疲勞區(qū) ) 所占面積大 , 說(shuō)明裂紋緩慢擴(kuò)展形成斷裂面 ,而最后斷裂區(qū)域面積小 , 說(shuō)明造成該氣相接管斷裂的載荷較小。
由上述斷口特征可知 , 該氣相接管屬疲勞斷裂，斷口對(duì)側(cè)兩處疲勞源說(shuō)明它在服役過(guò)程中受到罐車行駛過(guò)程氣相接管上下振動(dòng)引起的附加彎矩作用下的拉壓循環(huán)應(yīng)力作用。而裂紋擴(kuò)展區(qū) ( 疲勞區(qū) ) 所占面積大說(shuō)明造成疲勞的載荷較小。
1.2 化學(xué)成分分析
經(jīng)查閱罐車原始技術(shù)資料，氣相接管材料牌號(hào)為S30408，材料標(biāo)準(zhǔn)為 GB 24511—2009《承壓設(shè)備用不銹鋼鋼板及鋼帶》；罐體外殼材料牌號(hào)為 Q345R，材料標(biāo)準(zhǔn)為GB 713—2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》。
1）磁翻板液位計(jì)氣相接管材料化學(xué)成份分析結(jié)果見(jiàn)表 2。
1.3 金相檢驗(yàn)
1）取樣位置及金相試樣：取樣部位示意圖見(jiàn)圖 4，金相試樣見(jiàn)圖 5。
2）金相檢驗(yàn)結(jié)果
（1）氣相接管基體金相組織：氣相接管基體金相組織見(jiàn)圖 6，其金相組織為單一奧氏體，為 304 奧氏體不銹鋼在正常固溶狀態(tài)下的組織；
（2）氣相接管與接頭焊接處的金相組織：
① 接接頭處的金相組織見(jiàn)圖 7、圖 8。由圖 7、圖8 可見(jiàn)，在焊縫根部產(chǎn)生向氣相接管內(nèi)部擴(kuò)展（見(jiàn)圖 7)和向焊縫內(nèi)部擴(kuò)展（見(jiàn)圖 8) 的微裂紋 , 該處正好位于焊接應(yīng)力集中處。
② 裂源處金相組織：裂源處的金相組織見(jiàn)圖 9，由圖 9 可見(jiàn)該處氣相接管組織存在大量滑移線，表明該處已經(jīng)產(chǎn)生塑性變形。
（3）氣相接管外表面質(zhì)量缺陷：圖 10 是氣相接管外表面的金相組織。由圖 10 可見(jiàn)，外表面存在有向基體內(nèi)延伸的微裂紋，且不止一處。圖 11 顯示同樣的質(zhì)量缺陷。從裂紋形貌分析 , 這種外表面微裂紋為鋼管軋制過(guò)程中的表面刮傷。
1.4 無(wú)損檢測(cè)
由于接管與內(nèi)筒體連接角焊縫易產(chǎn)生未焊透及未熔合等缺陷，導(dǎo)致裂紋等穿透性缺陷產(chǎn)生，對(duì)內(nèi)筒與接管所有角焊縫采用 100% 滲透檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)缺陷痕跡顯示。
1.5 氣密性試驗(yàn)
封閉斷裂磁翻板液位計(jì)氣相管，罐體內(nèi)筒進(jìn)行氣密性試驗(yàn)；試驗(yàn)壓力為 0.7MPa，保壓 30min，罐體無(wú)泄漏，無(wú)異常響聲，試驗(yàn)合格，無(wú)其他泄漏點(diǎn)。
2 綜合分析及結(jié)論
2.1 外殼破裂原因
外筒所用材料 Q345R 屬于體心立方晶格，該類金屬材料在脆性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域以上，金屬材料處于韌性狀態(tài)，斷裂形式主要為韌性斷裂；在脆性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域以下，材料處于脆性狀態(tài)，斷裂形式主要為脆性斷裂。經(jīng)查閱原始技術(shù)資料，罐體外筒焊縫未進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，因此接管與封頭角焊縫存在較大焊接殘余應(yīng)力。
由于磁翻板液位計(jì)氣相接管（材質(zhì)：S30408，規(guī)格：φ 12×3mm）與管座接頭（材質(zhì)：S30408 Ⅲ，規(guī)格：φ 26×6mm）焊縫接管側(cè)熔合線處斷裂（見(jiàn)圖 3），低溫液化天然氣液體及氣體同時(shí)從破裂處進(jìn)入真空夾層，同時(shí)低溫液體迅速汽化，造成夾層真空度破壞，真空度破壞后真空閥脫落，真空夾層與大氣聯(lián)通，真空夾層承受的壓力為 0MPa。罐體外筒材料 Q345R 無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度（NDTT）為 -30℃，低溫天然氣工作溫度 -162℃，低溫天然氣長(zhǎng)時(shí)間與外筒接觸，導(dǎo)致氣相接管斷裂處附近外殼金屬溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度，材料處于脆性狀態(tài)，在接管角焊縫殘余應(yīng)力作用下使外殼體局部產(chǎn)生低溫脆性破裂。
2.2 氣相接管斷裂原因
由 于 液 位 計(jì) 氣 相 接 管 直 徑 較 小、 壁 厚 較 ?。?φ 12×3mm）且長(zhǎng)度較長(zhǎng)，設(shè)計(jì)中未采用有效方法固定，在車輛行駛過(guò)程中氣相接管產(chǎn)生較大振動(dòng)，此振動(dòng)在氣相接管與管座角焊縫處形成頻率很高的附加彎矩產(chǎn)生的拉壓循環(huán)應(yīng)力，是產(chǎn)生疲勞裂紋的主要應(yīng)力源，此外該位置還存在焊接殘余應(yīng)力及溫差應(yīng)力，這些應(yīng)力共同作用產(chǎn)生疊加拉壓循環(huán)應(yīng)力，而氣相接管與管座角焊縫處由于幾何形狀突變產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，同時(shí)斷裂位置處于焊接熔合線處，該處具有明顯的化學(xué)成分不均勻及組織不均勻性，其組織特征為粗大的過(guò)熱組織，機(jī)械性能較差，因而疲勞裂紋極易在該處形成并擴(kuò)展。通過(guò)斷口金相分析，斷口形式為附加彎矩產(chǎn)生的拉壓疲勞斷裂，由圖10及圖11分析結(jié)果，氣相管表面存在有向基體內(nèi)延伸的微裂紋，該微裂紋成為疲勞裂紋的裂紋源。該位置在疊加的拉壓循環(huán)應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞裂紋并擴(kuò)展最后造成接管斷裂。
3 結(jié)論及預(yù)防措施
1）氣相接管表面存在有向基體內(nèi)延伸的微裂紋，該微裂紋成為疲勞裂紋的裂紋源；由于罐車運(yùn)行過(guò)程氣相接管振動(dòng)在接管與管座角焊縫部位產(chǎn)生附加彎矩引起的拉壓循環(huán)應(yīng)力，該應(yīng)力與焊接殘余應(yīng)力及溫差應(yīng)力疊加作用在該部位產(chǎn)生疲勞裂紋并擴(kuò)展最后造成接管斷裂。
2）氣相接管斷裂后，天然氣低溫液體及氣體從裂口進(jìn)入真空夾層，逸出的低溫天然氣長(zhǎng)時(shí)間與外筒接觸，導(dǎo)致氣相接管斷裂處附近外殼金屬溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度，材料處于脆性狀態(tài)，在接管角焊縫殘余應(yīng)力作用下使外殼體局部產(chǎn)生低溫脆性破裂。
3）磁翻板液位計(jì)接管采用表面質(zhì)量更好的不銹鋼管制造，避免鋼管表面原始微裂紋的產(chǎn)生，同時(shí)裝配焊接時(shí)避免強(qiáng)力組裝，提高角焊縫焊接質(zhì)量；
4）JB/T 4783—2007《低溫液體汽車罐車》第4.4.16.4 款規(guī)定：“管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造和安裝應(yīng)避免熱脹冷縮、機(jī)械顫動(dòng)或振動(dòng)等所引起的損壞，必要時(shí)應(yīng)考慮補(bǔ)償裝置……”。因此必須按照標(biāo)準(zhǔn)要求改進(jìn)磁翻板液位計(jì)接管設(shè)計(jì)，增設(shè)接管穩(wěn)定裝置，減少車體運(yùn)行時(shí)接管的震動(dòng)，減少振動(dòng)應(yīng)力。
1.1 宏觀檢查
將后封頭外殼局部解體，經(jīng)宏觀檢查，內(nèi)筒后封頭無(wú)可見(jiàn)變形，從圖 1 觀察可發(fā)現(xiàn)，外殼后封頭開(kāi)裂其裂口均源自接管與封頭外殼角焊縫處。外殼后封頭裂塊及氣相管、管座形貌見(jiàn)圖 2，觀察可見(jiàn)其外殼后封頭破裂斷口無(wú)任何塑性變形，呈現(xiàn)典型脆性斷裂特征。接管與內(nèi)筒角焊縫無(wú)表面缺陷。磁翻板液位計(jì)氣相接管與外筒管座連接處發(fā)生斷裂。
1）裂紋源區(qū)：裂源有兩處，分別位于氣相接管斷口對(duì)側(cè)，處于上下方位，出現(xiàn)在氣相接管角焊縫熔合區(qū)，見(jiàn)圖 3 箭頭所指；
2）裂紋擴(kuò)展區(qū) ( 疲勞區(qū) )：該區(qū)域具有明顯的海灘狀或貝紋狀花紋，占有較大面積 , 代表裂紋前沿?cái)U(kuò)展遺留下的痕跡，逆指向裂紋源。由于裂紋擴(kuò)展區(qū) ( 疲勞區(qū) ) 所占面積大 , 說(shuō)明裂紋緩慢擴(kuò)展形成斷裂面 ,而最后斷裂區(qū)域面積小 , 說(shuō)明造成該氣相接管斷裂的載荷較小。
由上述斷口特征可知 , 該氣相接管屬疲勞斷裂，斷口對(duì)側(cè)兩處疲勞源說(shuō)明它在服役過(guò)程中受到罐車行駛過(guò)程氣相接管上下振動(dòng)引起的附加彎矩作用下的拉壓循環(huán)應(yīng)力作用。而裂紋擴(kuò)展區(qū) ( 疲勞區(qū) ) 所占面積大說(shuō)明造成疲勞的載荷較小。
經(jīng)查閱罐車原始技術(shù)資料，氣相接管材料牌號(hào)為S30408，材料標(biāo)準(zhǔn)為 GB 24511—2009《承壓設(shè)備用不銹鋼鋼板及鋼帶》；罐體外殼材料牌號(hào)為 Q345R，材料標(biāo)準(zhǔn)為GB 713—2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》。
1）磁翻板液位計(jì)氣相接管材料化學(xué)成份分析結(jié)果見(jiàn)表 2。
1）取樣位置及金相試樣：取樣部位示意圖見(jiàn)圖 4，金相試樣見(jiàn)圖 5。
（1）氣相接管基體金相組織：氣相接管基體金相組織見(jiàn)圖 6，其金相組織為單一奧氏體，為 304 奧氏體不銹鋼在正常固溶狀態(tài)下的組織；
① 接接頭處的金相組織見(jiàn)圖 7、圖 8。由圖 7、圖8 可見(jiàn)，在焊縫根部產(chǎn)生向氣相接管內(nèi)部擴(kuò)展（見(jiàn)圖 7)和向焊縫內(nèi)部擴(kuò)展（見(jiàn)圖 8) 的微裂紋 , 該處正好位于焊接應(yīng)力集中處。
（3）氣相接管外表面質(zhì)量缺陷：圖 10 是氣相接管外表面的金相組織。由圖 10 可見(jiàn)，外表面存在有向基體內(nèi)延伸的微裂紋，且不止一處。圖 11 顯示同樣的質(zhì)量缺陷。從裂紋形貌分析 , 這種外表面微裂紋為鋼管軋制過(guò)程中的表面刮傷。
由于接管與內(nèi)筒體連接角焊縫易產(chǎn)生未焊透及未熔合等缺陷，導(dǎo)致裂紋等穿透性缺陷產(chǎn)生，對(duì)內(nèi)筒與接管所有角焊縫采用 100% 滲透檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)缺陷痕跡顯示。
1.5 氣密性試驗(yàn)
封閉斷裂磁翻板液位計(jì)氣相管，罐體內(nèi)筒進(jìn)行氣密性試驗(yàn)；試驗(yàn)壓力為 0.7MPa，保壓 30min，罐體無(wú)泄漏，無(wú)異常響聲，試驗(yàn)合格，無(wú)其他泄漏點(diǎn)。
2 綜合分析及結(jié)論
2.1 外殼破裂原因
外筒所用材料 Q345R 屬于體心立方晶格，該類金屬材料在脆性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域以上，金屬材料處于韌性狀態(tài)，斷裂形式主要為韌性斷裂；在脆性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域以下，材料處于脆性狀態(tài)，斷裂形式主要為脆性斷裂。經(jīng)查閱原始技術(shù)資料，罐體外筒焊縫未進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，因此接管與封頭角焊縫存在較大焊接殘余應(yīng)力。
由于磁翻板液位計(jì)氣相接管（材質(zhì)：S30408，規(guī)格：φ 12×3mm）與管座接頭（材質(zhì)：S30408 Ⅲ，規(guī)格：φ 26×6mm）焊縫接管側(cè)熔合線處斷裂（見(jiàn)圖 3），低溫液化天然氣液體及氣體同時(shí)從破裂處進(jìn)入真空夾層，同時(shí)低溫液體迅速汽化，造成夾層真空度破壞，真空度破壞后真空閥脫落，真空夾層與大氣聯(lián)通，真空夾層承受的壓力為 0MPa。罐體外筒材料 Q345R 無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度（NDTT）為 -30℃，低溫天然氣工作溫度 -162℃，低溫天然氣長(zhǎng)時(shí)間與外筒接觸，導(dǎo)致氣相接管斷裂處附近外殼金屬溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度，材料處于脆性狀態(tài)，在接管角焊縫殘余應(yīng)力作用下使外殼體局部產(chǎn)生低溫脆性破裂。
2.2 氣相接管斷裂原因
由 于 液 位 計(jì) 氣 相 接 管 直 徑 較 小、 壁 厚 較 ?。?φ 12×3mm）且長(zhǎng)度較長(zhǎng)，設(shè)計(jì)中未采用有效方法固定，在車輛行駛過(guò)程中氣相接管產(chǎn)生較大振動(dòng)，此振動(dòng)在氣相接管與管座角焊縫處形成頻率很高的附加彎矩產(chǎn)生的拉壓循環(huán)應(yīng)力，是產(chǎn)生疲勞裂紋的主要應(yīng)力源，此外該位置還存在焊接殘余應(yīng)力及溫差應(yīng)力，這些應(yīng)力共同作用產(chǎn)生疊加拉壓循環(huán)應(yīng)力，而氣相接管與管座角焊縫處由于幾何形狀突變產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，同時(shí)斷裂位置處于焊接熔合線處，該處具有明顯的化學(xué)成分不均勻及組織不均勻性，其組織特征為粗大的過(guò)熱組織，機(jī)械性能較差，因而疲勞裂紋極易在該處形成并擴(kuò)展。通過(guò)斷口金相分析，斷口形式為附加彎矩產(chǎn)生的拉壓疲勞斷裂，由圖10及圖11分析結(jié)果，氣相管表面存在有向基體內(nèi)延伸的微裂紋，該微裂紋成為疲勞裂紋的裂紋源。該位置在疊加的拉壓循環(huán)應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞裂紋并擴(kuò)展最后造成接管斷裂。
3 結(jié)論及預(yù)防措施
1）氣相接管表面存在有向基體內(nèi)延伸的微裂紋，該微裂紋成為疲勞裂紋的裂紋源；由于罐車運(yùn)行過(guò)程氣相接管振動(dòng)在接管與管座角焊縫部位產(chǎn)生附加彎矩引起的拉壓循環(huán)應(yīng)力，該應(yīng)力與焊接殘余應(yīng)力及溫差應(yīng)力疊加作用在該部位產(chǎn)生疲勞裂紋并擴(kuò)展最后造成接管斷裂。
2）氣相接管斷裂后，天然氣低溫液體及氣體從裂口進(jìn)入真空夾層，逸出的低溫天然氣長(zhǎng)時(shí)間與外筒接觸，導(dǎo)致氣相接管斷裂處附近外殼金屬溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度，材料處于脆性狀態(tài)，在接管角焊縫殘余應(yīng)力作用下使外殼體局部產(chǎn)生低溫脆性破裂。
3）磁翻板液位計(jì)接管采用表面質(zhì)量更好的不銹鋼管制造，避免鋼管表面原始微裂紋的產(chǎn)生，同時(shí)裝配焊接時(shí)避免強(qiáng)力組裝，提高角焊縫焊接質(zhì)量；
4）JB/T 4783—2007《低溫液體汽車罐車》第4.4.16.4 款規(guī)定：“管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造和安裝應(yīng)避免熱脹冷縮、機(jī)械顫動(dòng)或振動(dòng)等所引起的損壞，必要時(shí)應(yīng)考慮補(bǔ)償裝置……”。因此必須按照標(biāo)準(zhǔn)要求改進(jìn)磁翻板液位計(jì)接管設(shè)計(jì)，增設(shè)接管穩(wěn)定裝置，減少車體運(yùn)行時(shí)接管的震動(dòng)，減少振動(dòng)應(yīng)力。
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