罐式集裝箱防波板裂紋的原因分析與探討

葉建生

一、 前言

罐式集裝箱又稱貯罐式集裝箱，它用來貯運各種氣體、液體和干粉料，罐式集裝箱具有一次性投資小、裝載量大、營運費用低、符合國際潮流等顯著優點。 罐式集裝箱由罐體和框架兩部分組成，其中罐體為承壓容器，罐體內部設置防波板以減緩液體轉運過程中的慣性作用，罐體上設有安全閥、球閥等閥件。2005年對我市無水氟化氫罐式集裝箱進行檢驗時，經宏觀檢查和磁粉探傷發現部分罐式集裝箱的防波板與筒體連接角焊縫出現裂紋，多數裂紋呈撕裂狀態，部分裂紋為弧坑裂紋。而同一制造廠早期生產的同一類型的罐式集裝箱，使用年限更長，卻沒有發現一處裂紋。

二、產生裂紋的罐式集裝箱的規格及參數

設計壓力：0.67Mpa

設計溫度：-19~65℃

內徑：2150mm

長度：6058mm

容積：21m3

充裝介質：無水氟化氫

充裝系數：0.8t/ m3

容器材質：20R

三、有關規程對罐式集裝箱防波板的要求

《壓力容器安全技術監察規程》對罐式集裝箱防波板的要求：盛裝介質為液化氣體或低溫液體的移動壓力容器應設置防波板，罐體每個防波段的容積一般不得大于3m3。

《液化氣體汽車罐車安全監察規程》對罐式集裝箱防波板的要求：罐內應設置防波板，每個防波板的有效面積應大于罐體橫斷面積的40%，防波板的安裝位置，應使上部弓形面積小于罐體橫斷面積的20%。防波板與罐體的連接應采用牢固的結構，防止產生裂紋和脫落。每個防波板容積一般不大于3m3。

《壓力容器定期檢驗規則》對罐式集裝箱防波板的檢驗要求：（檢查）罐內防波板與罐體連接結構形式，罐內防波板與罐體的連接情況，連接焊縫處的裂紋、連接固定螺栓的松脫、防波板裂紋、裂開或脫落等。

四、 裂紋產生的部位及原因分析

1、罐箱的載荷分析

罐箱承受著以下載荷：液柱靜壓力；運輸或吊裝時的慣性力；支座、框架及支撐件與罐體連接部位或支承部位的作用力；罐箱自重及所盛裝的無水氟化氫的重力載荷；溫度梯度或熱膨脹量不同引起的作用力；壓力急劇波動引起的沖擊載荷；沖擊反力，如液體沖擊引起的作用力等。

防波板承受著液體的慣性沖擊力，承受著沖擊載荷和重復載荷的作用，由于防波板和筒體的膨脹系數不同，徑向熱膨脹量不一致，防波板還承受著容器筒體的收縮應力。

2、裂紋產生的部位

防波板與罐體有兩種連接結構，角鋼與筒體采用焊接連接，防波板與角鋼的連接一種是焊接連接(見圖1)，另一種是用螺栓連接(見圖2)。裂紋多產生在角鋼直角端與筒體連接角焊縫處，此處裂紋多為撕裂，角鋼另一端與筒體連接角焊縫也發現有裂紋，此處裂紋多為弧坑裂紋。這些裂紋都產生在前一種連接結構中，后一種連接結構中未發現角焊縫裂紋，雖然該種結構的罐箱使用的年限更長。

3、裂紋產生的原因

（1）該廠生產的罐式集裝箱防波板都是帶折邊的且厚度較厚，剛性很大，若防波板與角鋼采用焊接連接，則整個防波板均為剛性連接，防波板熱脹冷縮，相對伸長得不到補償，由于液體溫度的變化，防波板焊縫在長度方向上產生熱應力，這個熱應力當防波板受熱伸長時為拉應力，冷卻收縮時為壓應力。這種拉一壓應力反復作用于防波板兩端的焊縫上，即角鋼與筒體的連接焊縫上，成為焊縫的拘束應力。這種外力作用的結果將是應力集中或結構的薄弱區域早期失效。從受力方式上來看，焊縫兩端的拘束應力是剪應力。角焊縫本身承受剪切變形的能力就很低，因此，角焊縫被撕裂的形式通常表現為被切斷。

（2）設計資料上未對角鋼與筒體連接焊縫的焊接及焊縫縫質量檢驗提出要求，角鋼與筒體連接焊縫質量較差，存在著表面氣孔、表面夾渣、根部未焊透等缺陷。焊接缺陷對靜強度不很敏感，但在重復載荷作用下它會引起應力集中而產生疲勞裂紋，線性缺陷比體積性嚴重，表面缺陷比內部缺陷嚴重。在承受重復載荷的結構的應力集中部位，當構件所受的公稱應力高于彈性極限時就可能產生疲勞裂紋。焊接結構中疲勞裂紋大多起源于焊接接頭表面幾何不連續引起的應力集中處，少數起源于內部較大的焊接缺陷。影響焊接結構疲勞強度的因素主要有以下7個方面：①應力集中；②斷面尺寸；③表面狀態；④荷載情況；⑤介質；⑥靠近焊縫區材料性能的改變；⑦焊接殘余應力。在焊接結構中，接頭部位由于具有不同的應力集中，它們對接頭的疲勞強度產生程度不同的不利影響。

（3）在焊接過程中，隨時間而變化的內應力為焊接瞬時應力。焊后當焊件溫度降至常溫時，殘存于焊件中的內應力則為焊接殘余應力。焊后殘留于焊件上的變形則為焊接殘余變形。焊接應力和應變是形成各種焊接裂紋的重要因素，又是造成熱應變脆化的根源。焊接殘余應力和變形在一定條件下還會嚴重影響焊件的強度、剛度、受壓時的穩定性等等。焊接應力分為拘束應力、熱應力和相變應力。角鋼按筒體的曲率冷彎后再用焊接方法進行強力組裝，就會產生約束應力，焊后應力無法釋放，是產生裂紋的重要因素。

（4）防波板有效面積不足，每個防波板的有效面積應遠小于罐體橫斷面積的40%，相鄰防波板上的孔的中心線在同一軸線上，降低了防波板對液體慣性力的緩沖作用。

（5）焊接時由于熄弧時間過短而產生弧坑，弧坑不僅使該處焊縫的強度嚴重削弱，同時在弧坑內部往往有氣孔、夾渣和微小裂紋。所以在收弧時焊條需在熔池處作短時間的停留或作幾次環形運條，使足夠的填充金屬填滿熔池。每條焊縫盡可能做到一次焊完，因故被迫中斷時，應及時采取防裂措施，確認無裂紋后方可繼續施焊。

五、裂紋的處理方法

1、角鋼直角端與筒體連接角焊縫處的裂紋主要系結構因素造成，只有改變結構才能從根本上消除產生裂紋的因素，且此類裂紋為撕裂，裂紋未向母材擴展，對此類裂紋暫不處理，觀察使用。

2、對弧坑裂紋采用打磨方法予以消除，并用磁粉探傷方法進行確認。

六、 建議

該種罐式集裝箱的制造廠早期生產的罐箱，防波板與角鋼的連接采用螺栓連接，減小了外部拘束應力，有效的減小了應力集中，防波板的熱膨脹能夠得到有效補償，且螺栓孔采用機械方法開孔，螺栓與螺孔大小合適，再加上熱處理后螺栓與螺母采用點焊方法固定，避免了螺母的松動，該種結構的罐箱既未產生角焊縫裂紋，又未造成防波板脫落。綜上所述，只要采用可靠的工藝，采用螺栓連接較采用焊接連接更可取，可有效的避免防波板角焊縫裂紋的產生。