1、1 低温液氧贮槽概况 1.1 结构及技术参数某低温液氧贮槽（以下简称“贮槽”）是有效容积为 3 000 m3的全金属双壁容器，贮槽内罐材质为不锈钢，外罐材质为碳钢。内罐落于厚度为 200 mm 的混凝土均压板上，均压板与外罐底板间设有厚度为750 mm 的保温玻璃砖来支撑内罐罐体，内外罐夹层填充珠光砂。内罐底板设有 5 个出液孔并与不锈钢管道连接，管道穿过均压板的预埋套管与保温玻璃砖，从外罐罐壁引出形成出液系统。贮槽结构可见图 1，技术参数可见表 1。1.2 贮槽服役情况及缺陷检查贮槽于 2022 年 8 月 1 日投入使用，当进液量达摘 要 对某低温液氧贮槽在服役过程中出液管母材开裂的原因进
2、行了分析，得出因出液管与均压板套筒间隙不足，导致在低温环境下出液管管口随贮槽底板的“冷缩”发生水平位移，并与均压板套筒碰撞挤压产生塑性变形，拉裂出液管与贮槽底板焊缝焊根处的管壁母材，导致出液管开裂。通过优化出液管管道路径，改变出液管管口受力情况，以规避贮槽服役期管道开裂导致的漏液风险。关键词 低温液氧贮槽 裂纹 塑性变形 中图分类号 TQ 116.14 DOI：10.16759/ki.issn.1007-7251.2023.04.016Cause Analysis and Defect Treatment of Cracking of Liquid Outlet Pipe inLow Temp
3、erature Liquid Oxygen Storage TankCHEN Guo GAO GuoguangAbstract:The causes of cracking of the base material of the outlet pipe of a cryogenic liquid oxygen storage tank during service were analyzed.It was concluded that due to insufficient clearance between the outlet pipe and the equalizing plate s
4、leeve,the outlet pipe orifice underwent horizontal displacement with the cold shrinkage of the tank bottom plate under low temperature conditions,and collided with the equalizing plate sleeve to produce plastic deformation.Cracking of the base material of the pipe wall at the weld root of the outlet
5、 pipe and the tank bottom plate was the cause of cracking of the outlet pipe.By optimizing the route of the outlet pipe and changing the stress condition of the outlet pipe orifice,the risk of liquid leakage caused by pipeline cracking during the service period of the storage tank could be avoided.K
6、ey words:Low temperature liquid oxygen storage tank;Crack;Plastic deformation陈 果*高国光（浙江智海化工设备工程有限公司）低温液氧贮槽出液管开裂原因分析及缺陷处理*陈果，男，1987年生，本科，工程师。杭州市，310000工程实践化工装备技术60第 44 卷第 2 期 2023 年 4 月2023 年 4 月61到其有效容积的 1/3 时，夹层密封气压力报警、氧浓度上升且位于 135附近的外罐罐壁底部出现少量冷凝水。初步判定贮槽漏液，随之贮槽进入排液放空、缺陷检查阶段。贮槽排空后进罐检查发现位于 135的出液管（管径
7、为 DN 100 mm）管壁在距离管口端部约 1117 mm 处出现一条长度约为 50 mm 的裂纹。裂纹方位为位于管道中心与底板中心连线方向。经修磨观察发现裂纹贯穿管壁且裂纹延管壁厚度方向的延展，且延展趋势为斜向下，并贯穿至底板的下边缘。同时观察到裂纹正下方管壁出现宽度约为 60 mm，最大高度约为10 mm 的内凹。裂纹及管道变形剖面情况可见图 2。根据 GB 503162008工业金属管道设计规范要求，贮槽出液管应选用不锈钢无缝钢管，质量应符合 GB/T 149762012流体输送用不锈钢无缝钢管要求。钢管的化学成分、力学性能复验结果均符合要求，复验结果见表 2。底板中心底板t8补强板t
8、8出液口t4裂纹混凝土套筒t4D7 750约10 mm裂纹起点裂纹终点内侧距管口11-17 mm图 2 裂纹及管道变形剖面示意图（单位：mm）2 裂纹产生的原因分析 2.1 变形的产生根据材料的热膨胀性能可知，内罐底板在服役温度下将产生“冷缩”，按照式（1）进行计算，贮槽底板在安装温度到服役温度的“冷缩量”为 28.629 mm，而设计预留的管道与均压板套管的理论间距 D 为21.5 mm，其值远小于底板的“冷缩量”。L=LT （1）式中：L出液管管口距贮槽中心的距离；不锈钢线膨胀系数；T安装温度与服役温度的温差。贮槽进液过程中，出液管管口随着内罐底板的“冷缩”向内罐中心移动，因位移大于出液管
9、与均压板套管间隙，导致出液管管壁与均压板套管发生挤图 1 贮槽结构示意图（单位：mm）表 1 贮槽技术参数项目技术参数内筒外筒工作压力/kPa200.5设计压力/kPa-0.5/25-0.5/1工作温度/-19620设计温度/-196/50-15/50物料名称液氧珠光砂主要材质S30408Q235B有效容积/m33 0001 751（夹层）出液口方位10/33/135/214/356出液口管径/mmDN 100/DN 20018 600300补强板内罐底板均压板均压板套管保温玻璃砖16 10021 00018 000表 2 钢管的化学成分及力学性能化学成分（质量分数）/%力学性能元素CSiMn
10、PSCrNiRm/MPaRel/MPaA/%标准值0.081.002.000.0350.0318.0020.008.0010.0052020535复验值0.0380.3901.0180.0330.00218.898.0954925448注：表中化学成份标准值未标注为范围值的均为上限值。陈果，等：低温液氧贮槽出液管开裂原因分析及缺陷处理第 44 卷第 2 期化工装备技术62压、碰撞。此时管壁碰撞部位承受罐内介质的重力载荷、压力载荷及套管的剪力等外部载荷产生的一次应力，以及由位移载荷、热膨胀产生的二次应力。管壁碰撞部位承受的应力大于管道的屈服极限而产生塑性变形，最终导致管壁内凹。2.2 裂纹的产生
11、因管壁受应力作用向内凹起，而靠近底板下边缘处的管壁受焊缝的刚性约束，导致焊根处的管壁向内凹起的趋势被阻止，且此处产生的塑性变形不再平缓过渡，而产生形状突变。此时在焊根部位的管壁外表面承受拉应力，拉应力在焊根处应力集中，撕裂焊根处的管道外壁产生微裂纹，形成裂纹源。随着位移载荷、套筒的剪力及液位上升罐内介质的重力载荷的增大，裂纹源处受到的拉应力也逐渐增大，裂纹沿着垂直于拉应力的方向逐渐向内壁厚度方向及管壁圆周方向延展，并贯穿内壁，形成贯穿裂纹造成管壁开裂。3 缺陷的消除3.1 管道路径优化由于原设计的均压板套管与出液管间隙不满足贮槽内罐底板的“冷缩”，出液管已对贮槽服役造成安全隐患，需对管道路径进
12、行优化。优化路径后的出液管从贮槽内罐罐壁开孔，引出内罐后在夹层内增加弯以增强管道的热变形补偿能力，并从外罐罐壁引出形成新的出液系统。优化管道路径的出液管其主要承受热膨胀产生的应力以及内罐“冷缩”产生的位移应力，其压力载荷、重力载荷、绝热材料重量等产生弯曲应力可忽略不计。图 3 为优化路径后的出液管等效应力分布图，通过应力分析可知管道最大等效应力发生在图 3 右侧两弯头处，最大等效应力为 114.8 MPa，小于不锈钢管道的许用应力 137 MPa。优化后的出液管处于安全状态，规避贮槽服役期管道开裂导致的漏液风险。3.2 缺陷处理打磨清除管壁裂纹并进行渗透检测以确定裂纹被全部清除。因出液管路径变
13、更，原出液管被报废并遗留在原安装位置。为避免原管道在底板“冷缩”过程中与均压板套管再次发生碰撞、挤压导致其他形式失效，对原出液管与管道连接处进行切割，切断管道与底板的连接，并采用双层盲板焊接封堵原出液孔。4 结语出液管在进液期间漏液主要是由于开裂处的管壁受到来自内罐底板“冷缩”产生的位移应力、均压板套管的剪应力、热膨胀应力等共同作用导致管壁产生塑性变形，并在出液管与底板焊缝焊根处产生应力集中，随着位移应力、剪应力、热膨胀应力及罐内液体介质的重力产生的拉应力的逐渐增加，使位于焊缝焊根处的管壁撕裂，并向管壁厚度方向及圆周方向延展，最终撕裂管壁，导致管道漏液。通过对出液管管道路径进行优化，改变管道受力情况，优化管道应力状态，并通过应力分析从而有效规避贮槽服役期管道再次开裂导致漏液的风险。（收稿日期：2022-09-08）图 3 管道应力分布图产出合格产品。至此，华谊钦州基地 75 万 t/a 丙烯及下游深加工一体化项目顺利打通全流程，所有装置成功运行。项目成功开华谊钦州新材料20万t/a双酚A装置产出合格产品3 月 3 日，上海华谊控股集团有限公司（简称“华谊集团”）旗下的华谊钦州新材料一体化基地 20 万 t/a 双酚 A 装置顺利车，对华谊集团延伸产业链，提高核心竞争力，对钦州打造高端化工新材料产业集群、加快建设现代化产业体系具有重要意义。