冶煉廠動(dòng)力車間鍋爐壓力容器定期檢驗(yàn)中的常見缺陷處理

沈 強(qiáng)，袁 紅

（大連鍋爐壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)研究院有限公司，遼寧 大連 116016）

冶煉廠動(dòng)力車間鍋爐壓力容器定期檢驗(yàn)作為保障鍋爐運(yùn)行質(zhì)量的重要手段，通過(guò)定期檢驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)壓力容器中存在的大量缺陷，避免由于先天或后天缺陷帶來(lái)的壓力容器報(bào)廢造成的損失[1]。鍋爐壓力容器常見缺陷主要包括焊縫夾渣、變形、內(nèi)凹、錯(cuò)邊、腐蝕、電弧擦傷、裂紋、等表面缺陷，同時(shí)也包括未熔合、夾鎢、氣孔、未焊透、夾渣等內(nèi)部缺陷[2]。為保證鍋爐壓力容器使用質(zhì)量，因此提出冶煉廠動(dòng)力車間鍋爐壓力容器定期檢驗(yàn)中的常見缺陷處理。根據(jù)實(shí)際檢測(cè)需求，選擇聲波技術(shù)提出一種無(wú)損檢測(cè)方法，利用聲波與壓力容器間的相互作用，利用透射、反射以及散射等角度全面檢測(cè)鍋爐壓力容器的組織結(jié)構(gòu)及缺陷等，從而做到具有針對(duì)性的缺陷處理。

1 鍋爐壓力容器定期檢驗(yàn)中的常見缺陷處理

1.1 壓力容器性能數(shù)據(jù)獲取

主要分析鍋爐壓力容器中存在裂紋構(gòu)件的平衡、擴(kuò)展與失衡現(xiàn)象，從中提取其強(qiáng)度與韌性指標(biāo)，完成鍋爐壓力容器安全評(píng)估[3]。通過(guò)對(duì)鍋爐壓力容器在鍛造過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋、氣孔、縮孔等缺陷，以及在使用與維護(hù)過(guò)程中產(chǎn)生的損傷與裂紋，按照缺陷存在的幾何特征，將缺陷分為埋藏缺陷、表面缺陷以及穿透缺陷三種，如圖1所示。

埋藏缺陷主要存在于壓力容器內(nèi)部，其投影檢測(cè)結(jié)果為橢圓片狀裂紋或圓片狀裂紋。表面缺陷位于壓力容器表面。其深度小于壓力容器厚度。而穿透缺陷則貫穿壓力容器厚度，一般將延伸至壓力容器厚度一半以上缺陷作為穿透缺陷處理。

圖1 鍋爐壓力容器產(chǎn)經(jīng)缺陷示意圖

根據(jù)鍋爐壓力容器壁厚與封頭壁厚計(jì)算公式，其筒體壁厚為：

球形封頭壁厚為：

其中，Pc為設(shè)備工作壓力，取值3.771MPa；φ為焊接接頭系數(shù)，取值為1.0；[]σ為許用應(yīng)力，筒體取值為108.2MPa，球形封頭取值116.2MPa；Di為筒體或球形封頭內(nèi)直徑，筒體取值為4300mm，球形封頭取值4346mm；C2腐蝕量，按照鍋爐壓力容器腐蝕余量為3mm，使用年限為20年的壓力容器年腐蝕率為0.15mm/年，C2取值按照鍋爐壓力容器實(shí)際使用年份取值；σS與E分別為壓力容器屈服強(qiáng)度與彈性模量，根據(jù)《鋼制壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)，鍋爐壓力容器材料性能在常溫條件下屈服強(qiáng)度σ取值275MPa，彈性模量E取值206000MPa。在使用條件下屈服強(qiáng)度σ取值173.3MPa，彈性模量E取值178200MPa。

根據(jù)鍋爐壓力容器質(zhì)量規(guī)定，常見冶煉廠動(dòng)力車間鍋爐壓力容器焊接試板性能數(shù)據(jù)，如表1所示：

表1 冶煉廠動(dòng)力車間鍋爐壓力容器焊接試板性能數(shù)據(jù)

1.2 缺陷函數(shù)計(jì)算

根據(jù)壓力容器性能數(shù)據(jù)，鍋爐壓力容器強(qiáng)度因子K為：

并根據(jù)鍋爐壓力各項(xiàng)系數(shù)，得到容器表面裂紋為：

其中，a為壓力容器表面缺陷深度，mm；c為表面缺陷半長(zhǎng)，mm；B為缺陷附近計(jì)算壁厚，mm。

而埋藏計(jì)算為：

其中，a為壓力容器埋藏缺陷半高，mm；c為埋藏缺陷半長(zhǎng)，mm；B為缺陷附近殼體計(jì)算壁厚，mm；e為埋藏缺陷中心與板厚中心位移量，mm。

根據(jù)公式（3）鍋爐壓力容器缺陷常規(guī)評(píng)定使用斷裂比為：

其中，G為相鄰缺陷間彈塑性干涉效應(yīng)系數(shù)，取值為1.0；Kp與Ks分別為兩組缺陷的應(yīng)力強(qiáng)度因子，用于評(píng)定材料斷裂韌度；Bp為塑性修正因子，取值為0。

其中，Pb為缺陷距板表面最近距離。

通過(guò)計(jì)算，得到鍋爐壓力容器不同類型缺陷函數(shù)。

1.3 缺陷安全性評(píng)定與處理

根據(jù)鍋爐壓力容器缺陷函數(shù)，缺陷出現(xiàn)后，受到均勻拉應(yīng)力的作用，其缺陷端附近應(yīng)力分量為：

其中，σx與σy分別為x，y方向的正應(yīng)力與剪應(yīng)力；θ缺陷尖端某一點(diǎn)極坐標(biāo)。

根據(jù)公式（8）、（9），裂紋尖端附近應(yīng)力不僅隨點(diǎn)的坐標(biāo)變化而變化，同時(shí)根據(jù)材料斷裂韌度的不同，其材料承受低壓脆性斷裂能力應(yīng)視具體材料不同而定。

因此，通過(guò)計(jì)算缺陷的Kr值與L值中的安全區(qū)域，確定σx與σy是否在Kr值與L構(gòu)成的評(píng)定區(qū)域(Kr,L)內(nèi)，從而判斷缺陷的安全性。

在對(duì)缺陷情況評(píng)定后，根據(jù)壓力容器缺陷實(shí)際情況進(jìn)行處理，主要分為裂紋缺陷與腐蝕缺陷兩種。裂紋缺陷的處理上，對(duì)使用與焊接時(shí)產(chǎn)生的表面及接近表面裂紋采用打磨方式處理，根據(jù)鍋爐壓力容器材料選擇磁粉或滲透探傷，直至裂紋完全消除，必要時(shí)采用補(bǔ)焊處理。對(duì)于缺陷較大的局部腐蝕，可根據(jù)局部腐蝕深度與面積等，采用挖補(bǔ)、焊補(bǔ)、打磨或更換等相應(yīng)處理措施。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)根據(jù)鍋爐壓力容器常見缺陷，設(shè)計(jì)某一現(xiàn)役冶煉廠動(dòng)力車間鍋爐壓力容器存在裂紋、腐蝕、泄漏、機(jī)械狀態(tài)以及機(jī)械噪聲五種狀態(tài)。分別獲取鍋爐壓力容器每種狀態(tài)下的50個(gè)樣本，其中包含每種狀態(tài)5個(gè)作為狀態(tài)類型判斷檢驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中測(cè)試數(shù)據(jù)樣本與訓(xùn)練樣本來(lái)自同一數(shù)據(jù)庫(kù)，由同一數(shù)據(jù)集輸入與輸出構(gòu)成數(shù)據(jù)集合。實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組對(duì)同一鍋爐壓力容器缺陷處理，分析兩組處理結(jié)果滿意度與準(zhǔn)確度，如果結(jié)果與規(guī)定誤差程度較為相近則可以應(yīng)用到實(shí)際缺陷處理中。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

兩組處理方法對(duì)實(shí)驗(yàn)鍋爐壓力容器缺陷處理后，其樣本處理結(jié)果如表2、3所示：

表2 對(duì)照組處理結(jié)果

表3 實(shí)驗(yàn)組處理結(jié)果

分析上表可以看出，對(duì)照組缺陷處理結(jié)果對(duì)正常狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確，而針對(duì)其他不同缺陷類型受到人為因素影響，泄漏、腐蝕、裂紋等缺陷檢測(cè)準(zhǔn)確率都不高，其檢測(cè)結(jié)果不僅存在檢測(cè)缺陷丟失，在部分檢測(cè)結(jié)果中同樣存在檢驗(yàn)處缺陷過(guò)多情況，處理結(jié)果誤差較大。而實(shí)驗(yàn)組缺陷處理結(jié)果相較于實(shí)驗(yàn)組，其正確識(shí)別率有了很大提升，且對(duì)不同缺陷處理識(shí)別率誤差較小，其檢測(cè)結(jié)果不會(huì)受到缺陷類型影響，整體處理結(jié)果較為準(zhǔn)確，從而證明冶煉廠動(dòng)力車間鍋爐壓力容器定期檢驗(yàn)中的常見缺陷處理有效性。

3 結(jié)束語(yǔ)

冶煉廠動(dòng)力車間鍋爐壓力容器定期檢驗(yàn)中的常見缺陷處理主要針對(duì)壓力容器中常見的變形、泄漏、腐蝕以及裂紋等常見缺陷，實(shí)現(xiàn)無(wú)損精準(zhǔn)探測(cè)。根據(jù)實(shí)際缺陷處理需求，建立精準(zhǔn)缺陷探測(cè)，相對(duì)于傳統(tǒng)處理方法能夠更好保留缺陷信息細(xì)節(jié)。而在處理過(guò)程中，仍需要借助人工經(jīng)驗(yàn)對(duì)缺陷處理結(jié)果做出判斷，針對(duì)缺陷的不同需要采取相應(yīng)解決方法，達(dá)到快速、有效處理缺陷的目的。