在用壓力容器檢驗(yàn)方法分析

張英豪，董 博，于成志，楊 帆，闞積宇

（中國石油大慶石化公司檢測公司，黑龍江大慶163714）

在用壓力容器檢驗(yàn)方法分析

張英豪，董 博，于成志，楊 帆，闞積宇

（中國石油大慶石化公司檢測公司，黑龍江大慶163714）

壓力容器檢驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于在用無損檢測方法規(guī)定較少，通常由檢驗(yàn)人員根據(jù)具體情況確定。文中針對(duì)壓力容器的新生缺陷、裂紋、測厚、材質(zhì)劣化和無損探傷檢驗(yàn)等，分析了正在使用的壓力容器檢驗(yàn)檢測中的問題。并對(duì)相關(guān)法規(guī)、規(guī)定存在的不足之處提出了補(bǔ)充修改建議。

壓力容器；缺陷；裂紋；測厚；檢測

在用壓力容器的檢驗(yàn)是在容器正常使用狀態(tài)下每間隔一定的時(shí)期對(duì)容器進(jìn)行檢驗(yàn)檢測，采用各種適當(dāng)而且有效的方法對(duì)容器的各個(gè)承壓部件和安全裝置進(jìn)行必要的檢查和試驗(yàn)。進(jìn)行檢驗(yàn)的目的主要是確定容器的狀況以及確定容器缺陷的類型、劣化速率以及產(chǎn)生的原因。由于在用壓力容器數(shù)量多、品種復(fù)雜、形式多樣，材料、結(jié)構(gòu)、制造工藝和運(yùn)行工況各不相同，加之在用壓力容器檢驗(yàn)技術(shù)起步晚，經(jīng)驗(yàn)不足。當(dāng)前在用壓力容器檢驗(yàn)的關(guān)鍵是針對(duì)檢驗(yàn)對(duì)象的不同，避免危及安全的嚴(yán)重缺陷漏檢或錯(cuò)判，造成檢驗(yàn)失誤。

1 壓力容器缺陷

1.1 新生缺陷

新生缺陷是指壓力容器使用過程產(chǎn)生的缺陷。在用壓力容器的新生缺陷包括：裂紋、腐蝕機(jī)械、損傷、變形和材質(zhì)劣化。

相對(duì)于新生缺陷，在用壓力容器還存在設(shè)計(jì)、制造遺留的缺陷，稱為先天性缺陷，包括結(jié)構(gòu)不合理、選材不當(dāng)、焊接工藝性缺陷（焊接裂紋、氣孔、咬邊等）、形狀缺陷（錯(cuò)邊、棱角等）、制造中產(chǎn)生的機(jī)械損傷［1］。

在用壓力容器檢驗(yàn)的重點(diǎn)是針對(duì)新生缺陷，并根據(jù)缺陷的嚴(yán)重程度，按照合于安全使用的原則，判斷容器能否安全可靠地使用至下一個(gè)檢驗(yàn)周期。

新生缺陷和先天性缺陷往往存在一定的因果關(guān)系及內(nèi)在聯(lián)系。如選材不當(dāng)往往直接導(dǎo)致嚴(yán)重腐蝕和材質(zhì)劣化；結(jié)構(gòu)不合理、機(jī)械損傷、某些焊接工藝性缺陷和形狀缺陷則是導(dǎo)致容器變形、裂紋產(chǎn)生的擴(kuò)展一級(jí)疲勞失效的重要原因之一。因此，進(jìn)行在用壓力容器檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)結(jié)合容器的設(shè)計(jì)、制造情況和實(shí)際使用工況，有目的地查找新生缺陷，避免漏檢。

1.2 裂紋

在用壓力容器可能存在的2類裂紋。

第1類是焊接裂紋，是制造中產(chǎn)生并遺留下來的，屬先天性缺陷。

第2類裂紋是使用中產(chǎn)生的裂紋。這類裂紋有應(yīng)力腐蝕裂紋、疲勞裂紋、氫腐蝕裂紋、晶間腐蝕裂紋、焊接缺陷在使用過程中擴(kuò)展產(chǎn)生的裂紋、局部應(yīng)力過高產(chǎn)生的裂紋等。

根據(jù)對(duì)裂紋形成和擴(kuò)散因素的研究和檢驗(yàn)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)說明，使用中產(chǎn)生的裂紋絕大多數(shù)是表面裂紋（如應(yīng)力腐蝕裂紋、晶間腐蝕裂紋等），但也有少量可能是深埋裂紋（如條狀?yuàn)A渣、未焊透等擴(kuò)展產(chǎn)生的裂紋），使用中產(chǎn)生的裂紋是最危險(xiǎn)的缺陷，為重點(diǎn)檢驗(yàn)對(duì)象［2］。

使用中產(chǎn)生的裂紋，尤其是表面裂紋，常出現(xiàn)在容器的不連續(xù)部位，包括幾何不連續(xù)部位、化學(xué)成份不連續(xù)部位和應(yīng)力不連續(xù)部位，如錯(cuò)邊、棱角度嚴(yán)重超標(biāo)的部位、開孔（尤其是方孔）周圍、壁厚突變部位、工卡具焊跡處和補(bǔ)焊部位及制造過程中多次返修部位等。

在用壓力容器檢驗(yàn)中對(duì)不連續(xù)部位，尤其是與介質(zhì)接觸的內(nèi)表面應(yīng)作為重點(diǎn)檢查部位，檢驗(yàn)的主要對(duì)象是表面裂紋，檢驗(yàn)方法采用宏觀檢驗(yàn)和表面探傷。

對(duì)于實(shí)際工作應(yīng)力水平較高的容器，若存在有嚴(yán)重超標(biāo)的條狀?yuàn)A渣、未焊透、未熔合缺陷，則應(yīng)注意這些缺陷尖端處是否存在使用過程中擴(kuò)展產(chǎn)生的裂紋。這類裂紋屬于深埋缺陷，應(yīng)采用射線和超聲波探傷進(jìn)行綜合評(píng)定，以便準(zhǔn)確判斷缺陷性質(zhì)。

檢驗(yàn)實(shí)踐說明，使用中產(chǎn)生的裂紋絕大多數(shù)是表面裂紋。因此，一般情況下可以將定期檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的表面裂紋均作為新生缺陷處理。

使用中產(chǎn)生的深埋裂紋如條狀?yuàn)A渣、未焊透等擴(kuò)展產(chǎn)生的裂紋，往往出現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)力水平較高的容器上，且有表面裂紋同時(shí)存在。所以在用壓力容器檢驗(yàn)中在發(fā)現(xiàn)深埋裂紋的同時(shí)又發(fā)現(xiàn)表面裂紋的存在，一般情況下這些裂紋均應(yīng)判為新生缺陷。如果檢驗(yàn)中僅發(fā)現(xiàn)個(gè)別或少量深埋裂紋（如丁字口處的未焊透及其裂紋），而未發(fā)現(xiàn)表面裂紋，且容器的實(shí)際應(yīng)力水平較低，這些深埋裂紋可作為先天性缺陷處理［3］。

1.3 材質(zhì)劣化

材質(zhì)劣化是一種新生缺陷，包括石墨化、珠光體球化、增碳、脫碳、應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕、氫損傷及脆化等。

材質(zhì)劣化的結(jié)果是使材料的力學(xué)性能惡化或嚴(yán)重惡化，甚至使材料失效［4］。

針對(duì)材質(zhì)劣化的有效檢驗(yàn)方法是金相檢驗(yàn)，而現(xiàn)場檢驗(yàn)則以復(fù)膜金相最合適，可直接在容器受壓元件表面進(jìn)行復(fù)膜并進(jìn)行金相分析。如某壓力容器，殼體材料采用20 g，已運(yùn)行105h以上，定期檢驗(yàn)時(shí)在殼體金屬內(nèi)表面進(jìn)行金相復(fù)膜，發(fā)現(xiàn)已有表面脫碳，為了確定殼體金屬在壁厚方向的脫碳程度，則將內(nèi)表面檢驗(yàn)部位打磨一定深度（0.5～1.0 mm），再作復(fù)膜金相檢驗(yàn)，如仍有脫碳，則在繼續(xù)打磨、檢驗(yàn)，直至脫碳層消失為止，這樣可測定該容器殼體在壁厚方向的脫碳深度和程度，以及未脫碳的剩余厚度，以此判斷脫碳對(duì)該容器安全性能的影響。

2 容器的測厚

在用壓力容器檢驗(yàn)中，測厚是常用的、主要的檢驗(yàn)方法之一。通過測厚可確定容器受壓元件的剩余壁厚是否滿足使用要求。

測厚的內(nèi)容包括決定測點(diǎn)數(shù)量、選擇測點(diǎn)位置、繪制測點(diǎn)分布圖和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

測厚又分為定點(diǎn)測厚和缺陷測厚。

定點(diǎn)測厚是指對(duì)容器受壓元件的指定部位進(jìn)行測厚。如對(duì)構(gòu)成殼件的每1張板材的指定部位測厚。定點(diǎn)測厚通常用以核實(shí)制造時(shí)的母材厚度和確定大面積均勻腐蝕的剩余壁厚。

缺陷測厚是指對(duì)容器受壓元件上可能產(chǎn)生或已產(chǎn)生局部腐蝕、磨損等缺陷的部位進(jìn)行測厚。缺陷測厚是在用壓力容器測厚檢驗(yàn)的重點(diǎn)，因此凡是容易出現(xiàn)腐蝕和磨損的部位均是測厚的重點(diǎn)部位。

每1次測厚之后，繪制測點(diǎn)位置分布和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理都很重要，如果將檢驗(yàn)得到的測厚述職與制造檢驗(yàn)或上1次定期檢驗(yàn)得到的測厚值對(duì)比分析，就很容易掌握該容器在什么部位出現(xiàn)減薄，結(jié)合材料、結(jié)構(gòu)和使用工況可以分析出減薄原因。根據(jù)容器使用時(shí)間和減薄量大小，可以方便地計(jì)算出容器受壓元件的年平均腐蝕率，這樣就能比較準(zhǔn)確地確定該容器使用到下1個(gè)檢驗(yàn)周期所必須的腐蝕量和最小壁厚［5］。

3 無損探傷

3.1 無損探傷部位的選擇

在用壓力容器檢驗(yàn)時(shí)，若需進(jìn)行無損探傷，則探傷部位應(yīng)按相關(guān)的要求選擇，即重點(diǎn)在應(yīng)力、材料和結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位。但實(shí)際檢驗(yàn)工作中，部分檢驗(yàn)員仍將重點(diǎn)放在丁字口部位，丁字口必探。這種觀點(diǎn)表現(xiàn)出未來真正理解符合安全使用的原則，制造檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)起主導(dǎo)作用。

3.2 焊縫深埋非圓形缺陷的自身高度測定

對(duì)埋深非圓形缺陷（未焊透、未熔合和條狀?yuàn)A渣）的無損檢測，除了確定缺陷的性質(zhì)、長度、位置外，還要測定缺陷在板厚方向的自身高度。

檢驗(yàn)實(shí)踐證明，射線探傷可以較準(zhǔn)確地確定缺陷位置、長度和埋藏深度，不能較準(zhǔn)確地確定高度。由于受到當(dāng)前儀器設(shè)備和技術(shù)水平的局限，要準(zhǔn)確確定高度的辦法是在焊縫邊緣放一定深度的凹糟缺陷尺，在底片上產(chǎn)生對(duì)比黑度，通過客觀比較或密度計(jì)測定，測定誤差在20%左右。

3.3 夾層檢驗(yàn)

對(duì)板材中額夾層要測定夾層與自由表面的夾角。用超聲波縱波探傷法可以解決這一問題。在正常操作條件下，當(dāng)夾層與鋼板自由表面平行時(shí)，始波、底波和缺陷波在探傷儀熒光屏上同時(shí)出現(xiàn)，見圖1（a）；當(dāng)夾層與鋼板自由表面成小于10°的夾角時(shí)，一般情況是熒光屏上有始波和缺陷波，底波消失，見圖1（b）；當(dāng)夾層與鋼板自由表面的夾角大于10°時(shí)，熒光屏上只出現(xiàn)始波，缺陷波和底波都消失了，見圖1（c）。這是因?yàn)閵A層夾角大，界面上的反射波不能被探頭回收的緣故。

圖1 不同夾角夾層超聲波探傷波形

4 缺陷的處理辦法

美國ASMEⅧ-Ⅱ、日本JⅡSB8243、日本勞動(dòng)省《鍋爐壓力容器構(gòu)造規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，是根據(jù)壓力容器盛裝的介質(zhì)特性、筒體壁厚和材料種類因素，允許部分壓力容器的主體焊縫不作無損探傷檢查。并且規(guī)定在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)選用較小的焊縫系數(shù)，用增加壁厚的方法降低受壓元件的應(yīng)力水平，以補(bǔ)償可能出現(xiàn)的焊接工藝性缺陷引起的強(qiáng)度削弱。

這類壓力容器在用檢驗(yàn)時(shí)，可能發(fā)生未熔合、夾渣、氣孔等焊接工藝性缺陷，并且這些缺陷的尺寸可能超過規(guī)定。若按《壓力容器檢驗(yàn)規(guī)定》第36條評(píng)定，則可能評(píng)為4級(jí)或5級(jí)，顯然對(duì)這些容器來說是不盡合理的。對(duì)于進(jìn)口的在用壓力容器檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的制造遺留的焊接工藝性缺陷（未焊透、未熔合、夾渣、氣孔等），若其設(shè)計(jì)制造規(guī)范允許這臺(tái)容器不作探傷檢查，且按規(guī)范選擇相應(yīng)的焊縫系數(shù)和安全系數(shù)并進(jìn)行強(qiáng)度校驗(yàn)合格，則這些缺陷可不影響評(píng)級(jí)。

5 結(jié)束語

通過對(duì)在用壓力容器進(jìn)行無損檢測、缺陷評(píng)定，可以在保證設(shè)備正常運(yùn)行的條件下確定容器的使用壽命。保證容器的安全，延長運(yùn)行周期，甚至可以減緩劣化速率，并對(duì)以后的檢修或更換的要求做出預(yù)測。是煉油化工行業(yè)壓力容器檢驗(yàn)檢測新的發(fā)展方向。

［1］侯健苗.壓力容器檢驗(yàn)過程缺陷問題與處理措施［J］.工程技術(shù)，2016（7）：304-305.

［2］蘭勇，李瑋峰.在用壓力容器檢驗(yàn)中裂紋探討［J］.商品與質(zhì)量，2012（6）：242-244.

［3］韓兵.壓力容器無損探傷檢測影響因素分析［J］.石油和化工設(shè)備，2010，13（11）：36-37.

［4］涂九華.淺談壓力容器定期檢驗(yàn)中測厚點(diǎn)的選取［J］.特種設(shè)備安全技術(shù)，2012（6）：16-17.

［5］李蓉蓉，李平瑾，艾志斌.對(duì)在役加氫反應(yīng)器的現(xiàn)場檢驗(yàn)及成因分析［J］.壓力容器，2009，26（4）：39-46.

Analysis of in-service pressure vessel inspection method

Zhang Yinghao，Dong Bo，Yu Chengzhi，Yang Fan，Kan Jiyu
（Detection Company of PetroChina Daqing Petrochemical Company，Daqing 163714，China）

In the relevant standards on pressure vessel inspection,there are few stipulations for the in-service nondestructive detection method,and normally,the methods are determined by the inspection personnel according to the specific circumstances.Aiming at nascent defects,cracks,thickness measuring,material deterioration and nondestructive inspection etc,this paper analyzed the problems in the inspection and detection of in-service pressure vessel,and put forward supplement and amendment suggestions for the deficiencies existed in the relevant law and regulation and stipulations.

pressure vessel;defect;crack;thickness measuring;detection

TH49

B

1671-4962（2017）05-0056-03

2017-08-16

張英豪，男，工程師，1998年畢業(yè)于燕山大學(xué)機(jī)電一體化專業(yè)，現(xiàn)從事特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測工作。