對基于失效模式的在役壓力容器檢驗(yàn)探討

朱小勇

安徽省特種設(shè)備檢測院 安徽合肥 230051

當(dāng)設(shè)備或是零件由于損毀或是各種原因而不能發(fā)揮其設(shè)計(jì)的作用時(shí)，就意味著該設(shè)備或是零件失效。目前，常見的失效模式主要有七種，包括塑性破裂、脆性破裂、疲勞損傷、腐蝕與沖蝕、氫損傷、蠕變、失穩(wěn)。而失效分析就是通過對失效機(jī)制、發(fā)生過程等進(jìn)行分析，找出失效的原因的過程，主要目的是延緩設(shè)備或零件的失效。在特定的環(huán)境中，壓力容器承受著一定的壓力，會(huì)出現(xiàn)變形、裂紋等情況。為了控制運(yùn)行成本，提升運(yùn)行穩(wěn)定性，在缺陷發(fā)生前對壓力容器可能出現(xiàn)的失效模式進(jìn)行預(yù)判，并進(jìn)行檢驗(yàn)方案的確定，是十分重要的工作。

1 基于失效模式的在役壓力容器檢驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在役壓力容器的失效通常是由于容器材料性能、受力狀況、運(yùn)行工藝、周圍環(huán)境的共同作用所導(dǎo)致的，而不同的因素組合有著不同的失效模式。其中，在役壓力容器的材料性能包括材料的韌性、脆性、熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性；受力狀況包括應(yīng)力集中的有無、交變應(yīng)力的有無、邊緣應(yīng)力的有無等等，是在役壓力容器應(yīng)力狀態(tài)的確定；運(yùn)行工藝包括主要介質(zhì)的特性、氫氣的有無、與材料的匹配程度等等周圍環(huán)境就是在役壓力容器的外部環(huán)境，包括雨水的有無、溫度變化劇烈程度等等。筆者在進(jìn)行基于失效模式的在役壓力容器檢驗(yàn)時(shí)，設(shè)計(jì)的方案流程為，通過控制受力狀況、材料性能、工藝流程以及周圍環(huán)境這四項(xiàng)因素，對于在役壓力容器產(chǎn)生的失效模式進(jìn)行分析，并確定出可能的缺陷類型，最終制定出相應(yīng)的檢驗(yàn)方案。

2 基于失效模式的在役壓力容器檢驗(yàn)方法選用

通常情況下，在對在役壓力容器進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，使用的檢驗(yàn)項(xiàng)目包括VT檢驗(yàn)（宏觀檢驗(yàn)）、MT檢驗(yàn)（磁粉檢驗(yàn)）、PT檢驗(yàn)（液體滲透檢驗(yàn)）、表面缺陷、強(qiáng)度、壁厚、氣密性等等。其中，以VT檢驗(yàn)、壁厚測定、表面無損檢驗(yàn)（MT、PT）為主。結(jié)合失效模式對于在役壓力容器可能出現(xiàn)的缺陷形式進(jìn)行分析，并確定出檢驗(yàn)方法，具體為：對于塑性斷裂、脆性斷裂、疲勞斷裂、腐蝕疲勞、應(yīng)力疲勞，使用VT、MT、PT進(jìn)行檢測；對于蠕變斷裂，使用VT、光譜及金相分析進(jìn)行檢測；對于沖蝕、均勻腐蝕、點(diǎn)蝕、失穩(wěn)，使用VT、測厚進(jìn)行檢測；對于氫損傷、晶界腐蝕，使用VT、MT、PT、測厚、金相進(jìn)行檢測；對于泄露，使用VT、氣密性以及氫撿漏進(jìn)行檢測。

3 在役壓力容器檢驗(yàn)

3.1 宏觀檢查

進(jìn)行宏觀檢查時(shí)，要使用放大鏡、燈光、內(nèi)窺鏡等工具進(jìn)行，也可以使用重250克防爆銅錘對在役壓力容器壁進(jìn)行敲擊，對在役壓力容器的腐蝕、變形、裂紋、機(jī)械性損傷等進(jìn)行檢測。

在進(jìn)行宏觀檢查時(shí)，要結(jié)合使用介質(zhì)、溫度等參數(shù)，對重點(diǎn)位置進(jìn)行確定。這些重點(diǎn)位置主要包括：連接結(jié)構(gòu)中容易形成縫隙的死角，例如設(shè)備內(nèi)承件、脹接結(jié)構(gòu)等；易產(chǎn)生液體殘留或固體沉淀的位置，例如在役壓力容器底部及底封頭等；應(yīng)力集中的部位；局部溫差變化相對較大的位置；破損的保溫層；在役壓力容器氣液相交的位置等等。

3.2 超聲波測厚

在役壓力容器運(yùn)行的過程中，介質(zhì)會(huì)對容器內(nèi)壁造成磨損、腐蝕、沖蝕等問題，或者當(dāng)壓力容易長期閑置但沒有進(jìn)行可靠性較高的防護(hù)處理時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致在役壓力容器的內(nèi)壁腐蝕[1]。同時(shí)，機(jī)械損傷也有可能造成在役壓力容器的內(nèi)部減薄。在這樣的情況下，使用超聲波測厚就能夠?qū)?nèi)部腐蝕問題是否存在、腐蝕嚴(yán)重程度等進(jìn)行檢測。相關(guān)人員要選取合適的位置展開超聲波測厚，例如液位長期波動(dòng)的位置、表面缺陷檢查中較為可疑的位置、容易受到腐蝕磨損的位置、有機(jī)械損傷的位置等等。在使用超聲波測厚儀時(shí)，要對材料、聲速、被測物體溫度等參數(shù)進(jìn)行修正與平衡。

3.3 內(nèi)外壁檢測

在役壓力容器最常見的缺陷為裂紋，所以必須要對表面檢測進(jìn)行重點(diǎn)的控制。由于人類肉眼的靈敏度有限，所以無法觀測到一些裂紋，利用MT、PT就能彌補(bǔ)這一問題。由于MT檢測的靈敏度相對較高，且成本相對低廉，所以對于磁性材料要優(yōu)先使用MT的方式[2]。但是，并不是所有的材料都是磁性材料，對于非磁性材料，或者是受到空間限制無法展開MT的零件，可以使用PT的方式進(jìn)行檢測，并要控制PT劑對于在役壓力容器沒有損害。對于低溫以及有應(yīng)力腐蝕傾向的容器，要使用濕熒光磁粉進(jìn)行內(nèi)壁檢測。另外，對于在役壓力容器中的各個(gè)焊接處，都要進(jìn)行100%磁粉檢測。

3.4 埋藏缺陷檢測

利用射線或是超聲波，就能夠?qū)崿F(xiàn)對于在役壓力容器的埋藏缺陷檢測。為了控制檢測成本、提升卻缺陷檢測的效率，可以在埋藏缺陷檢測中優(yōu)先使用超聲波檢測的方式。對于在役壓力容器中的不銹鋼結(jié)構(gòu)、有色金屬容器焊頭等位置展開埋藏缺陷檢測時(shí)，要使用射線檢測的方式。對于壓力較高的厚壁容器進(jìn)行超聲波檢測后，一旦發(fā)現(xiàn)存在危險(xiǎn)性缺陷時(shí)，要及時(shí)更換探頭K值進(jìn)行復(fù)檢。

3.5 光譜及金相分析

對于在役壓力容器中合金鋼材質(zhì)或是材質(zhì)不明的部位，可以使用光譜分析。相關(guān)人員要對在役壓力容器的以下位置進(jìn)行金相分析，包括：工作溫度高于220℃的、運(yùn)輸臨氫介質(zhì)的低合金鋼以及碳鋼；工作溫度高于370℃的鐵素體不銹鋼以及碳素鋼；工作溫度高于430℃的 奧氏體不銹鋼以及低合金鋼；工作溫度高于450℃的鉻鉬鋼以及鉬鋼；工作介質(zhì)中包含濕H2S的、或者是能夠引起應(yīng)力腐蝕的低合金鋼以及碳鋼；使用年限即將到期或是已經(jīng)過期的在役壓力容器材質(zhì)。利用金相分析，能夠?qū)τ谙鄳?yīng)材質(zhì)的劣化進(jìn)行判斷。

4 結(jié)語

綜上所述，對于在役壓力容器失效模式的檢驗(yàn)有著重要的意義，特別是在故障發(fā)生前進(jìn)行的失效檢驗(yàn)，對于失效模式能夠展開預(yù)判。針對不同的缺陷類型，可以對檢驗(yàn)過程中使用的方法進(jìn)行確定。通過基于失效模式的在役壓力容器檢驗(yàn)方法的實(shí)行，大幅提升了在役壓力容器的缺陷檢出率，提升了在役壓力容器的運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性。