壓力容器壓力管道檢驗中裂紋問題的解決措施

韓霄(青島市特種設備檢驗研究院，山東 青島 266500)

0 引言

在制、在役壓力容器和壓力管道產(chǎn)生的最危險的缺陷就是裂紋。具有擴張性的裂紋會嚴重制約設備的使用。正確判斷裂紋產(chǎn)生的原因以及識別主要的影響因素，并且選擇合適的檢測技術(shù)和應對措施，具有重要的意義。

1 壓力容器壓力管道檢驗中常見的裂紋問題

1.1 疲勞裂紋

一部分在用壓力容器和壓力管道因使用條件的原因，易受到交變載荷的作用。例如：蒸壓釜、滅菌鍋以及壓力容器和管道上的膨脹節(jié)等。上述設備的疲勞裂紋大都出現(xiàn)在應力集中的部分，例如：蒸壓釜釜齒根部、壓縮機出口管道附近。一般情況下，引起疲勞裂紋的應力要低于材料的屈服強度，出現(xiàn)裂紋甚至到發(fā)生斷裂，壓力容器及管道并不會出現(xiàn)明顯的塑形變形。因此，這類裂紋不易發(fā)現(xiàn)且具有很大的危險性。疲勞裂紋的形成與設計、焊接、材質(zhì)以及熱處理工藝有很大的關系。一些承受低周疲勞的壓力容器和管道并未進行疲勞分析設計，因此相應的結(jié)構(gòu)尺寸就存在不合理的地方，易形成應力集中。焊接、材料以及熱處理三個環(huán)節(jié)是相輔相成的，其中任一環(huán)節(jié)未認知清楚，都可能在制造過程中產(chǎn)生極大的應力，為疲勞裂紋的出現(xiàn)提供了可能。

1.2 應力腐蝕裂紋

在用壓力容器、管道因壁面接觸腐蝕性介質(zhì)和應力的作用，形成電偶腐蝕。一旦電偶腐蝕為“小陽極、大陰極”的結(jié)構(gòu)，在力和腐蝕的共同作用下，陽極區(qū)會向金屬壁面方向擴張，形成腐蝕裂紋。常見的應力腐蝕裂紋有氯化銨應力腐蝕裂紋、硫化氫應力腐蝕裂紋、堿應力腐蝕裂紋、連多硫酸應力腐蝕裂紋等[1]。應力腐蝕裂紋一般發(fā)生在常溫至200 ℃的使用環(huán)境。產(chǎn)生應力腐蝕開裂時，相應部位的應力水平并不高，介質(zhì)的腐蝕性也不強。一般來說，發(fā)生應力腐蝕開裂與使用介質(zhì)中形成或者攜帶的少量化合物有極大的關系。例如壓力容器或者管道內(nèi)濕硫化氫含量達到100 mg/L 以上，硫化氫應力腐蝕開裂就有可能發(fā)生?？梢姺治鍪褂媒橘|(zhì)在壓力容器和管道內(nèi)的化學反應、沉積、濃縮、結(jié)露等過程，從而判斷是否能夠形成可發(fā)生應力腐蝕開裂介質(zhì)，對判斷裂紋出現(xiàn)的位置或者從生產(chǎn)工藝角度的預防裂紋的出現(xiàn)具有重要的意義。

1.3 蠕變裂紋

隨著生產(chǎn)工藝要求的提高，壓力容器和管道面臨著高參數(shù)、大型化的挑戰(zhàn)。高溫高壓且長周期運行的容器和管道可能會產(chǎn)生蠕變裂紋。在長期高溫以及應力的作用下，壓力容器和管道將會出現(xiàn)一定的變形或者是金屬組織損傷進而產(chǎn)生相應的蠕變裂紋，其大多都同壓力容器和壓力管道的最大應力方向相垂直，并沿著軸線進行分部，進而逐漸變成一個相對較寬的裂紋帶。蠕變裂紋從萌芽到斷裂一般分為三個階段：初始蠕變階段、穩(wěn)態(tài)蠕變階段和加速蠕變階段。初始蠕變階段很難通過現(xiàn)有的檢驗檢測手段發(fā)現(xiàn)。蠕變裂紋的影響因素很多，與應變量、應變速率、應力、溫度、時間都有關系。高溫環(huán)境使用的壓力容器和管道，常通過蠕變極限判斷材料的適用性以及剩余壽命。實際使用過程中，通過蠕脹測點來進行監(jiān)測。

1.4 焊接裂紋

焊接過程是一個在金屬表面產(chǎn)生極大溫度梯度的過程。金屬在焊接過程、冷卻過程以及熱處理過程因微觀組織之間因熱和力不均衡即可產(chǎn)生裂紋。常見的焊接裂紋有熱裂紋、冷裂紋和再熱裂紋。

熱裂紋是在高溫結(jié)晶下產(chǎn)生的，也稱為結(jié)晶裂紋，與焊縫附近低熔點物質(zhì)形成有很大的關系。這些低熔點物質(zhì)容易在焊縫中央聚集偏析，當焊縫邊緣結(jié)晶凝固時，焊縫中心晶粒間雜質(zhì)仍處于液態(tài)膜狀態(tài)，在焊縫收縮產(chǎn)生的應力作用下產(chǎn)生裂紋。鉻鉬鋼等金屬材料經(jīng)過焊接冷卻之后可能會產(chǎn)生裂紋，出現(xiàn)焊接冷裂紋最主要的原因便在于焊接冷卻的金相組織中存在溶解的氫元素。再熱裂紋的形成主要是因為晶內(nèi)強度較大但晶界強度較弱，但對其展開焊后熱處理工作的時候，應力松弛時的形變便會在晶界上集中，若是晶界應變超出了晶界的塑性極限，便會增加其沿晶界出現(xiàn)裂紋的可能性?？梢姡附恿鸭y的形成與焊接工藝過程有極大關系?？刂坪附庸に嚭筒僮?，是防止焊接裂紋出現(xiàn)的重要手段。

2 壓力容器壓力管道檢驗中裂紋問題的應對措施

2.1 合理應用相關檢測技術(shù)

疲勞裂紋、應力腐蝕裂紋大都發(fā)生在金屬表面。常用磁粉或者滲透的方法進行檢測。蠕變裂紋和焊接裂紋可能出現(xiàn)在金屬表面也可能出現(xiàn)在金屬內(nèi)部。常用的檢測方法有超聲和射線。上述四種檢測技術(shù)手段主要用于在制或者停機狀態(tài)的壓力容器和管道的檢測。無法應用于對高溫、不停機的壓力容器和管道。目前，數(shù)字射線成像技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)因能夠克服上述問題，成為了在用設備裂紋檢測的重要手段[2]。

其中數(shù)字成像檢測技術(shù)在應用原理上同膠片照相在射線透照方面的原理是相一致的，其不同之處便在于，其成像器件對于接收到的信息所采取的處理技術(shù)存在一定的差異性。數(shù)字成像主要是基于計算機軟件對數(shù)字成像器件進行控制，進而實現(xiàn)有射線光子向數(shù)字圖像的有效轉(zhuǎn)化，進而將其裂紋顯示在顯示器當中。

聲發(fā)射技術(shù)的應用，將會在構(gòu)件或者是材料在受力過程中出現(xiàn)裂紋時，通過彈性波的形式，對應變能進行釋放，憑借著接收聲發(fā)射信號針對構(gòu)件或者是材料展開動態(tài)的無損檢測工作。其在應用的過程中能夠同電子計算機之間相配合展開高質(zhì)量的數(shù)據(jù)處理工作，進而更好地實現(xiàn)對裂紋的檢驗。聲發(fā)射技術(shù)還可以判斷裂紋的擴張性，進而識別出有危險性的裂紋。

2.2 強化原料和制造控制

對壓力容器和管道的原材料的控制，要嚴格落實入廠驗收制度。尤其對合金鋼、奧氏體不銹鋼、高強鋼等材料，必須按照國家法規(guī)、標準的規(guī)定進行資料驗收、目視檢查、壁厚測定、金相檢測、表面檢測等工作。嚴把材料關，堅決不使用不符合標準、規(guī)范以及設計文件要求的材料。驗收合格的材料、待檢驗的材料以及不合格的材料要分開標識清楚并且分開堆放。在生產(chǎn)過程中，需要強化落實對于各個環(huán)節(jié)的審查，進一步提升生產(chǎn)流程的規(guī)范性和有效性。在制造控制方面，工作人員需要確保相關工藝流程技術(shù)的高質(zhì)量應用，全面提高各項細節(jié)標準，以促使工藝流程整體可以同規(guī)范化的要求相適應，最大限度減少裂紋現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性，最終達到提升壓力容器、壓力管道運行穩(wěn)定性以及安全性的效果。

2.3 全面落實檢驗檢測

由于生產(chǎn)過程中的工藝條件波動、原材料化學成分的波動，以及生產(chǎn)量的波動。壓力容器和管道的使用存在一定的復雜性，也存在一定的安全隱患。國家法規(guī)標準規(guī)定，壓力容器和管道應當定期開展檢驗工作。檢驗工作是由社會或者行業(yè)內(nèi)特種設備檢驗機構(gòu)承擔。檢驗工作的目的是通過專業(yè)技術(shù)人員對設備使用狀況的資料審查、選擇有代表性的局部進行針對性的檢測，力求最大程度發(fā)現(xiàn)缺陷消除隱患的過程。企業(yè)應當積極落實檢驗檢測制度。為檢驗檢測機構(gòu)提供必要的設計資料、制造資料、安裝資料、使用運行資料、維修改造資料，使得檢驗機構(gòu)對設備有更加全面了解。企業(yè)還應當為檢驗提供必要的現(xiàn)場條件，保障檢驗工作可以順利并且保質(zhì)保量的完成。必要時，使用單位可以針對某一類問題，開展專項檢測[3]。專業(yè)檢測可以以月度檢查或者年度檢查的形式開展，重點排查那些可能存在隱患的部位。檢驗檢測人員應做好現(xiàn)場記錄，保證記錄的可追溯性，并及時向使用單位反饋壓力容器和管道的相關信息。

2.4 提升使用管理水平

首先，使用單位應當在原有基礎上對相應的管理體系進行完善，形成良好的壓力容器壓力設備使用管理體系。并切實展現(xiàn)出其對于操作人員的規(guī)范性和約束性作用，進而高質(zhì)量落實使用管理的相關要求，減少裂紋問題的出現(xiàn)。其次，使用單位要結(jié)合自身工藝特點，識別裂紋出現(xiàn)可能性大的容器，并建立重點監(jiān)測臺賬，針對性地開展對其使用管理，從源頭上降低裂紋產(chǎn)生的幾率。再者，使用單位建立相應的巡檢檢查制度，形成工藝生產(chǎn)與設備檢查聯(lián)動制度，全方位實現(xiàn)對于壓力容器和壓力管道的控制，以便于及時發(fā)現(xiàn)其裂紋問題，并第一時間采取妥善的解決措施。最后，應當提高管理人員的水平，不斷完善上述制度。

壓力容器和管道管理人員的專業(yè)能力和工作態(tài)度將會對設備的應用效果有著極大影響?？梢?，為提升實際的使用管理水平，還應當強化對管理人員技術(shù)能力培養(yǎng)。企業(yè)應當定期組織相關培訓和交流，使得管理人員，在不斷學習的過程中，提升自身技術(shù)素養(yǎng)，提升對裂紋缺陷的預判和識別能力，進而保障壓力容器和管道的長周期使用。

3 結(jié)語

綜上所述，有效應對裂紋問題能夠提升壓力容器壓力管道的應用質(zhì)量，對其安全平穩(wěn)運行有重要意義。因此，相關工作人員應當有針對性地對裂紋問題開展檢驗檢測工作，進一步研究在制及在役壓力容器和管道裂紋問題的實際成因，使用單位應不斷提升自身管理水平，保障設備長周期運行。