鍋爐壓力容器中金屬管道裂紋問題的解決方案研究

萬陽輝

（江西省鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院南昌分院，江西 南昌 330000）

鍋爐企業(yè)經(jīng)常面臨鍋爐壓力過高，管道高壓的狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，如果繼續(xù)加溫，很可能保證鍋爐壓力容器爆炸，不僅會損壞鍋爐壓力容器，還會導(dǎo)致看守容器的人員傷亡。面對這個嚴(yán)重的問題，各個鍋爐壓力企業(yè)都制定了一定的措施來避免鍋爐壓力容器損壞爆炸，即各個看守壓力容器的工作人員重視起來，及時檢測鍋爐壓力容器中的金屬管道，早發(fā)現(xiàn)，早處理，一旦出現(xiàn)了細小的裂紋，需要及時進行更換，除此之外，還應(yīng)該積極調(diào)查管道出現(xiàn)裂紋的原因，減少裂紋產(chǎn)生的頻率[1]。

鍋爐壓力容器的安裝是鍋爐加熱的最初環(huán)節(jié)，在這個工作階段出現(xiàn)裂縫的原因主要有兩個，一是安裝人員操作不當(dāng)造成的裂縫，第二則是安裝的金屬管線材料本身就存在問題。目前，隨著我國鍋爐壓力容器企業(yè)發(fā)展速度的加快，鍋爐企業(yè)的規(guī)模也在不斷擴大，需安裝的壓力管線長度不斷增加。但在許多情況下，這些管線需要以曲線方式鋪設(shè)。曲線鋪設(shè)雖然可以減少管線材料消耗，但是極容易因為管道彎曲或地面凹凸不平，出現(xiàn)裂紋，造成安全事故，因此設(shè)計了金屬管道裂紋問題的解決方案。

1 鍋爐壓力容器中金屬管道檢測中常見的裂紋問題

1.1 溫度變化產(chǎn)生裂紋

由于金屬管道材質(zhì)的限制，其在過冷或過熱的環(huán)境中都容易開裂。除此之外，在制作鍋爐壓力容器的金屬管線時，要經(jīng)過多道工序，各個工序環(huán)節(jié)都涉及溫度變化。例如，在加熱過程中，如果溫度過高，則會導(dǎo)致管線晶變，產(chǎn)生裂紋，不僅如此，如果溫度高于金屬臨界溫度，會出現(xiàn)熱裂紋，在冷卻時還會出現(xiàn)冷裂紋。隨著溫度的下降，冷裂紋比熱裂紋更細小，裂紋的具體呈現(xiàn)狀態(tài)如圖1所示。

由圖1可知，在觀察裂紋時，由于冷裂紋更細小，一定要仔細觀察才能發(fā)現(xiàn)，因此需要使用專業(yè)的觀察工具，一一篩選，確保金屬管線無裂紋產(chǎn)生才可進行作業(yè)[2]。

圖1 裂紋狀態(tài)

1.2 腐蝕裂紋

腐蝕裂紋產(chǎn)生的原因比較多，這種裂紋往往是由壓力負荷結(jié)合容器條件改變產(chǎn)生的，多數(shù)裂紋見于蒸汽水管和管板。通過對裂紋結(jié)構(gòu)的分析，可以選擇裂紋存在的固定位置，展示內(nèi)壓前后彎頭裂紋形狀的變化。腐蝕性環(huán)境是導(dǎo)致腐蝕裂紋產(chǎn)生的元兇，由于腐蝕性環(huán)境中包含著極強的腐蝕介質(zhì)，這些腐蝕性介質(zhì)具有強堿性，當(dāng)腐蝕性介質(zhì)與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，金屬管道就會在電流的作用下產(chǎn)生不同程度的裂紋，此時裂紋形態(tài)變化如圖2所示。

圖2 裂紋形態(tài)變化

由圖2可知，在鍋爐壓力容器中，往往溫度很高，在加溫降溫的過程中很容易產(chǎn)生水蒸氣，產(chǎn)生的水蒸氣凝結(jié)成水珠，滴落到金屬管道上，會使部分空氣中的化學(xué)成分與金屬管道發(fā)生反應(yīng)，最終導(dǎo)致金屬管線腐蝕開裂。當(dāng)金屬板與高濃度腐蝕介質(zhì)接觸時，金屬板表面的金屬晶體與腐蝕介質(zhì)的晶體界面之間會通過晶體與陰極的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電位差，晶體前面的陽極作用于金屬板導(dǎo)致其被腐蝕。這種腐蝕發(fā)生在金屬內(nèi)部而不是金屬板表面。因此，腐蝕裂紋也是一種不易檢測的裂紋。

由于腐蝕裂紋檢測不易，因此當(dāng)腐蝕裂紋發(fā)生時，管道整體會呈現(xiàn)空心狀態(tài)，自然不能承受重量了。腐蝕裂紋的類型有很多，不僅有水蒸氣作用產(chǎn)生的刺激裂紋，還包括與腐蝕介質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的主裂紋，但這兩種裂紋都產(chǎn)生在金屬管線內(nèi)部，不易檢測，當(dāng)操作員用肉眼檢測到裂紋時，檢測到的實際上是通過主裂紋擴展的二次裂紋。這類二次裂紋不能穿透晶體，而是在晶體表面進行擴散，導(dǎo)致管線破裂。所以，如果肉眼能看到二次腐蝕裂紋，說明金屬管線內(nèi)部的裂紋已經(jīng)很嚴(yán)重了。此時，金屬管線內(nèi)部裂紋已經(jīng)呈黑色狀態(tài)[3]。

1.3 疲勞裂紋

疲勞裂紋是壓力管道組件在長期使用后出現(xiàn)的性能衰退現(xiàn)象，長期使用后，壓力管道的不同表層一般會出現(xiàn)不同程度的裂紋，相比其他裂紋，疲勞裂紋在修復(fù)方面需要更高的成本，而其存在的隱患更嚴(yán)重，隨時都有爆管的可能性，不同表層受力情況如下表1所示。

表1 受力情況

由表1可知，管道的裂紋狀態(tài)隨著使用年限和使用方法不斷地變化，但在所有金屬管道裂紋問題中，疲勞裂紋出現(xiàn)得是最頻繁的，由于管道長期循環(huán)使用，鍋爐壓力容器中的溫度和壓力也較高，導(dǎo)致在鍋爐壓力容器中一些特殊的區(qū)域存在的管線上布滿了疲勞裂紋，這些裂紋在壓力的作用下會變形，甚至變得越來越大。

簡單來說，任何東西使用時間久了都可能會產(chǎn)生疲勞反應(yīng)，因此形成疲勞裂紋屬于正?，F(xiàn)象，在疲勞裂紋形成的前期，這種裂紋主要呈直線狀態(tài)由內(nèi)向外部擴張，但隨著使用次數(shù)增多，這種裂紋會扭曲變形，不斷地擴大，到后期，會產(chǎn)生更多細小的疲勞裂紋，且疲勞裂紋具有合并性，生長的區(qū)域大多一致，因此預(yù)防疲勞裂紋必須遵循早發(fā)現(xiàn)規(guī)則，后期的疲勞裂紋周圍的細碎裂紋過多，失去了處理的意義，必須進行更換，所以在檢查時，相關(guān)人員必須仔細觀察，不能放過任何一個細小的裂紋。

2 鍋爐壓力容器中金屬管道檢測中裂紋問題解決方案

2.1 規(guī)劃操作要求

鍋爐壓力管線在運行過程中出現(xiàn)裂縫，不僅是由內(nèi)壓和外壓造成的，還有由于部分員工操作知識，缺乏操作技能。為減少裂紋的發(fā)生，操作人員需要提高操作水平，實現(xiàn)鍋爐從開到停的平穩(wěn)過渡，有效控制爐溫，并通過防止管道過熱和過冷來降低管道壓力，避免管道因溫度突然變化而破裂。因此，在操作時應(yīng)該規(guī)范運營要求，嚴(yán)格按照規(guī)定操作，保證鍋爐壓力容器始終處于正常狀態(tài)。不僅如此，各個鍋爐公司需要分階段提高鍋爐操作人員的準(zhǔn)入門檻并及時對新員工進行鍋爐壓力容器操作規(guī)范技術(shù)培訓(xùn)，對可能出現(xiàn)的裂紋原因進行分析解釋，保證鍋爐壓力容器的安全。

2.2 制定科學(xué)檢驗程序

研究表明，對鍋爐壓力容器進行及時檢驗對保證該容器安全來說十分重要，因此需要制定科學(xué)的檢驗程序，在進行鍋爐作業(yè)前，對作業(yè)的各個零件、作業(yè)設(shè)備、原料等進行充分檢驗，保證這些作業(yè)用品符合要求，然后再開始作業(yè)，在制作鍋爐壓力容器的金屬管線時，需要注意生產(chǎn)的金屬管線是否符合質(zhì)量要求，只有將符合質(zhì)量要求的管線應(yīng)用到鍋爐作業(yè)中才能保證鍋爐作業(yè)的安全。

檢驗金屬管線是否符合要求，首先需要檢驗制作金屬管線的原材料，保證原材料的來源和純度，檢驗原材料后，需要檢驗鍋爐壓力容器的零件，保證零件的尺寸，材料符合壓力容器的要求，并匹配適宜的制造工藝制造，從根本上避免了管道裂紋的產(chǎn)生。

2.3 提高操作人員技能水平

鍋爐壓力容器操作起來十分復(fù)雜，一旦有一點失誤就可能導(dǎo)致安全問題，因此必須提高操作人員的技能水平，避免操作人員由于操作不熟練或操作知識儲備不豐富導(dǎo)致的管道裂紋，因此各個鍋爐企業(yè)和相關(guān)的管理部門需要對新上崗的員工和操作生疏的員工進行統(tǒng)一培訓(xùn)，將管道裂紋知識傾囊相授，并進行考核，保證鍋爐壓力容器始終處于安全狀態(tài)[4,5]。

3 結(jié)語

綜上所述，大多數(shù)鍋爐企業(yè)在操作時通常面臨高溫高壓的環(huán)境，非常危險，但鍋爐企業(yè)對我國的工業(yè)生產(chǎn)有重要意義，因此在鍋爐企業(yè)作業(yè)時，應(yīng)及時對金屬管線進行檢查并保養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)問題及時處理，避免由于管線裂紋產(chǎn)生的人員傷亡問題，除此之外，還需要加強相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，爭取早日研發(fā)出更實用的方案，徹底解決管道裂紋問題。