超高壓水晶釜損傷模式分析及檢測方法研究

栗 帥，肖 暉，楊志剛

(河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南鄭州 450016)

超高壓水晶釜作為人造晶體生產的關鍵設備，運行過程中不僅承受著高溫、高壓及苛刻的腐蝕介質的作用，還要承受開停工時交變應力，容易出現(xiàn)各種損傷失效情況，超高壓水晶釜是超高壓容器中事故率相對較高的設備。目前，對超高壓水晶釜的損傷模式研究報道較少，因此有必要深入了解超高壓水晶釜的結構特點、工藝情況、分析其存在的損傷模式，從而找出薄弱環(huán)節(jié)，提出具體的檢測方法，這將對超高壓水晶釜的安全、穩(wěn)定運行具有重要意義。

1 超高壓水晶釜的材料、結構及工藝特點

超高壓水晶釜主要應用于人造水晶合成領域，其設備一般為鍛造的厚壁筒形結構，目前超高壓容器的結構型式主要有單層整鍛式、管式、自增強、熱套式、繞絲式等。超高壓水晶釜運行參數(shù)高，工作條件較為惡劣，釜體材料強度高，對缺陷敏感，即使存在微小的裂紋，都有可能導致裂紋的擴展，當達到一定尺寸后釜體就會發(fā)生破裂，引起爆破失效，造成嚴重的后果。

1.1 超高壓水晶釜常用的材料

超高壓水晶釜在生產中需要反復承載著高溫、高壓、易腐蝕的介質，因此超高壓水晶釜材料必須要滿足強度高、韌性好、耐腐蝕等特點。超高壓水晶釜通常選用PCrNi3MoVA作為制作材料。PCrNi3MoVA材料是一種具有較高屈強比、一定斷裂韌性及脆性轉變溫度的高強度合金鋼，在400 ℃屈服強度σ0.2為720 MPa～800 MPa，抗拉強度σb為800 MPa～875 MPa，彈性模量E為1.775×105MPa。而超高壓水晶釜一般最高工作溫度≤400 ℃，最高工作壓力≤140 MPa，介質為1 N～1.25 N NaOH溶液，選用PCrNi3MoVA滿足超高壓水晶釜的工況條件[1]。

1.2 超高壓水晶釜的結構

超高壓水晶釜一般為單腔圓筒形鍛造容器，釜體結構大部分采用通孔式。在水晶釜工作時，釜體內壓產生的軸向應力在釜體頂部分別經過密封塞、密封環(huán)、壓環(huán)作用于上法蘭，再經過上法蘭、釜體與卡箍之間的螺紋作用于釜體之上；在釜體的底部，軸向應力分別經過堵底塞、堵底密封環(huán)、堵底壓環(huán)以及堵底螺，然后經堵底螺與釜體內壁之間的螺紋再次作用于釜體上，這樣形成了力的傳遞平衡[2]。

1.3 超高壓水晶釜的工藝過程

人造水晶在超高壓水晶釜內部生長，通常采用水熱溫差結晶法實現(xiàn)。水晶生產大致工作過程一般為：先在釜內部放仔晶、然后配一定質量和濃度的溶液并加入釜中、接著開始啟動加熱、保溫、降溫等程序、最后取出晶體、對釜腔沖洗。水晶在400 ℃高溫，140 MPa高壓及SiO2過飽和溶液、1 N～1.25 N的NaOH水溶液的條件下進行結晶。釜體一般采用外部加熱方式，在外壁面布置電阻發(fā)熱材料進行加熱，并采用熱電偶對溫度進行測量。生產過程中，溫度會影響到水晶的品質和釜體內部的壓力，所以控制好溫度并保持溫度的穩(wěn)定性對水晶生長十分重要。

2 超高壓水晶釜的損傷模式分析

超高壓水晶釜由于服役條件的苛刻性以及結構的特殊性在運行過程中容易出現(xiàn)各種損傷模式，常存在的損傷模式主要有應力腐蝕開裂、回火脆化、局部過量變形、疲勞損傷等。

2.1 應力腐蝕開裂

水晶釜正常工作時，堿性溶液會在釜體內表面會產生一層氧化膜，氧化膜容易造成釜體局部超溫，而超溫后釜體壓力升高材料力學性能下降，產生的鼓脹變形會導致釜體與堵底塞之間產生縫隙，并破壞保護膜，形成縫隙腐蝕，同時由于周期性升高溫度和壓力、再降低溫度和壓力，容易在不連續(xù)區(qū)域底(如堵螺壓加工處)出現(xiàn)應力集中，并產生應力腐蝕開裂[3]。應力腐蝕裂紋在底堵螺紋根部應力集中的區(qū)域，可能會造成釜體底部泄漏，甚至發(fā)生爆炸。

2.2 回火脆化

超高壓水晶釜常用材料PCrNi3MoVA為中碳低合金鋼，長期在400 ℃左右內使用時，雖然材料的韌性未發(fā)生較大改變，但材料的微觀組織和結構已逐漸出現(xiàn)了變化，在設備停止運行釜體溫度降低后出現(xiàn)脆性開裂現(xiàn)象，即發(fā)生了回火脆化。 PCrNi3MoVA中含有Mn、S、P等元素會顯著增加其回火脆性，超高壓水晶釜長期在大于440 ℃溫度范圍使用時，回火脆化可能會帶來更為嚴重的損傷。

2.3 局部過量變形

在超高壓水晶釜使用中，釜體下部溫度高，釜體上部溫度低，上下部存在較大的溫度差，依靠溫度差可使釜體內介質形成自然循環(huán)，從而促使水晶的生長。水晶釜釜體下部的溫度臨近設計溫度，一旦發(fā)生溫度出現(xiàn)波動，釜體下部溫度長時間超過400 ℃，便會出現(xiàn)變形損傷。由于水晶生產工藝要求釜體底部溫度高，因此底部相對布置較多的電加熱環(huán)，而超高壓水晶釜底部為自緊式密封結構，內部堿液沒有充滿整個空間，熱量無法及時帶走，而且在該部位沒溫度測量裝置，時常發(fā)生超溫的情況，造成該部位出現(xiàn)鼓脹變形。

2.4 疲勞損傷

疲勞損傷是指容器受到交變載荷的作用，容易在應力集中的部位產生裂紋，隨著交變應力不斷增加裂紋慢慢擴展，最終超過容器的韌性承受極限，導致容器快速破裂。水晶在每個生長周期內，釜體都必須經歷升溫降溫、升壓降壓的程序，這樣反復的溫度變化和壓力變化，容易產生疲勞裂紋[4]；超高壓水晶釜上下端結構復雜，釜體上端車有螺紋，釜體底部是凸肩、退刀槽并車有螺紋，而且底部底塞和筒體為過盈配合，具有幾何不連續(xù)性，受力狀況比較復雜，在應力集中部位易形成裂紋，屬最危險部位。尤其是釜體底部螺紋末端密封環(huán)處的退刀槽，此處有較大的應力集中，雖然不存在內壓力，但長期受到交變載荷的作用，被視為危險斷面。從一些典型事故案例中發(fā)現(xiàn)，退刀槽附近的螺紋根部屬于危險區(qū)域，釜體斷裂多在此處發(fā)生，裂紋源不僅沿螺紋根部方向發(fā)展，而且還周向擴展，最終將致使釜體斷裂。

3 超高壓水晶釜的檢驗檢測方法

通過分析超高壓水晶釜存在以上四種損傷模式，針對損傷模式特點，采用科學、有效檢驗、檢測手段能發(fā)現(xiàn)缺陷、消除缺陷，從而降低容器運行風險。

3.1 內窺鏡檢測

通過對超高壓水晶釜損傷模式分析，在底堵螺紋根部應力集中區(qū)域容易發(fā)生應力腐蝕開裂，發(fā)生溫度控制失靈超溫運行釜體材料微觀組織結構出現(xiàn)變化，在停止運行后內壁出現(xiàn)脆性開裂和局部過量變形，長期疲勞運行在釜體上下端螺紋、釜體底部凸肩、退刀槽和螺紋等部位容易形成裂紋，因此筒體內壁是在用超高壓水晶釜檢驗檢測的重點。由于超高壓水晶釜內徑為240 mm～400 mm之間，人員無法進入內部進行宏觀檢驗、磁粉檢測和滲透檢測，致使內表面缺陷無法檢出，而工業(yè)內窺鏡采用幾何光學原理，通過光導纖維材料將水晶釜內壁表面狀況傳至觀察屏上，檢驗人員可進行觀察和分析，因此工業(yè)內窺鏡可作為超高壓水晶釜檢驗的重要手段。工業(yè)內窺鏡可做成自動爬行裝置，把機器人技術和數(shù)字成像技術進行相結合，配有多角度可調光源，可實現(xiàn)水晶釜內表面目視檢測自動化，對檢驗過程實時高清成像和并行同步處理，能夠實現(xiàn)缺陷的平面尺寸測量和定位。通過工業(yè)內窺鏡可對釜體內表面的腐蝕、沖蝕、裂紋等缺陷做到全面、清晰和準確的檢測。

3.2 鼓脹變形檢測

對超高壓水晶釜釜體鼓脹變形檢測比較有效的方法是檢測外徑局部變形量，如果沿釜體長度方向用直尺進行鼓脹檢查會受到釜體直線度的干擾，而且測量準確度較低。在實際檢測中，用外徑螺旋千分尺進行測量，具有較高的準確度。具體方法：先依據(jù)釜體長度將釜體劃分為數(shù)個具有代表性的截面，然后分別距釜體底部一定距離(如20 mm、200 mm、300 mm、600 mm等)轉角90%分別測量，要保證測量位置分布在釜體下部臺階處、釜體中部、釜體上部，這樣可以準確地測出釜體的外徑以及對釜體的圓度進行判斷。若對釜體鼓脹進行長期監(jiān)測，可以將截面位置進行標記、固定，以便下次檢驗時可對檢測數(shù)據(jù)進行比較。

對超高壓水晶釜釜體鼓脹變形檢測的另一種行之有效的方法是三維激光掃描法，該方法通過測量釜體內直徑在同一個截面方向上實際測量的數(shù)值與原始值之間的差值來評估鼓脹變形程度。三維激光掃描法將掃描儀固定在釜體居中推進桿上，緩慢進入釜體內部，選擇具有代表性的截面采集其三維點云數(shù)據(jù)，并對相關數(shù)據(jù)做出處理，拼接導出三維坐標的格式。通過分析三維激光掃描儀導出的數(shù)據(jù)，可確定出超高壓水晶釜釜體鼓脹變形最嚴重的位置和準確的鼓脹變形量。三維激光掃描法不但操作簡單、快捷，可節(jié)約測量時間，而且可測量各種規(guī)格的釜體直徑，適用范圍較廣[5]。

3.3 超聲檢測

內窺鏡雖然可以檢查超高壓水晶釜內壁多種宏觀缺陷，但對釜體埋藏缺陷及內表面微觀缺陷不能有效檢出，因此需在水晶釜外表面用超聲波檢測的方法對其內表面進行檢測。進行超聲檢測時，為檢測與掃查面平行的面積型缺陷和體積型缺陷，通常采用直探頭在外圓面對釜體進行全面掃查；為檢測釜體鍛造時產生的夾渣和白點缺陷，采用柱面聚焦探頭，通過改善距離波幅曲線在外表面進行掃查。由于超高壓水晶釜壁厚較大，要保證探頭一次橫波能掃查到內壁表面并且確保存在純橫波，需使幾何臨界角達到一定條件?，F(xiàn)場檢測時，為保證折射橫波與內表面至少相切，通常采用小角度橫波法進行檢測[6]。用K1探頭作軸向掃查來探測橫向缺陷，用小K值探頭作周向掃查來探測平行于軸線的徑向缺陷，底部臺階區(qū)域的內表面裂紋作為檢測重點。在水晶釜超聲波檢測時要保證對反射波的定位、定性、定量的準確性，試塊選擇非常重要，通常選用被檢工件規(guī)格相同，材質、熱處理工藝和表面狀況相同或相似的筒形件制備[7]。將探頭裝在與釜體相同弧度的楔塊上，控制探頭橫波折射角的變化區(qū)間，利用探頭折射橫波測量對比試塊上不同深度長橫孔的反射波波高，繪制出距離波幅曲線進行檢測。

3.4 磁粉檢測

磁粉檢測的原理為工件被磁化后，如果在工件的表面和近表面存在不連續(xù)性(如裂紋)，就會在不連續(xù)性部位的表面形成漏磁場，漏磁場可吸附、聚集檢測過程施加的磁粉，最終形成磁痕，便可提供缺陷的位置、形狀、大小的顯示。超高壓水晶釜的釜體外壁、上法蘭、卡箍、底蓋外表面、主螺栓和卡箍底蓋的螺紋面以及圓角過渡處受到應力腐蝕及疲勞載荷時容易出現(xiàn)裂紋，這些區(qū)域是磁粉檢測的重點，應進行100% MT檢測。磁粉檢測要求線性缺陷長度不大于2 mm、圓形缺陷直徑不大于1 mm，而且不允許有白點、折疊等缺陷。在檢測時，為提高檢測靈敏度盡量采用熒光磁粉。對水晶釜高壓螺栓的檢測，可以使用線圈法與磁扼法相結合的方式來進行。長周期運的超高壓水晶釜，考慮釜體材料力學性能不會發(fā)生較大變化，可以減少對釜體磁粉探傷的比例，而法蘭、螺栓和卡箍緊固件需要反復拆卸容易出現(xiàn)缺陷，其探傷比例應適當提高[3]。

3.5 硬度檢測

硬度是指單位體積內固體材料抵抗硬物壓入其表面的能力，是對材料物理性能的一項表征，在對超高壓水晶釜檢驗中，硬度測定是其中一項重要的項目。超高壓水晶釜使用過程中，溫度最高的部分為釜體下部，溫度最為接近設計溫度，當發(fā)生溫度控制失靈，下部溫度經常超過400 ℃。水晶釜超溫運行時間過長，在晶界上會出現(xiàn)碳化物，碳化物慢慢地聚集形成碳化物網絡，從而導致大量的鐵素體產生，材質出現(xiàn)劣化，材料的強度和韌性大大降低，微觀組織和硬度值出現(xiàn)異常，因此對超高壓人造水晶釜進行硬度測定是對釜體材料分析行之有效的檢驗項目[8]。根據(jù)釜體長度，分別選取數(shù)個具有代表性的截面，在0°、90°、180°、270°的方位進行測定，將測定結果與標準值進行比較，判斷釜體材料的變化情況。

3.6 金相檢測

金相檢測也是確認超高壓水晶釜超溫、過熱部位材料組織是否發(fā)生變化的一項重要手段。釜體金相檢測一般先確定好易發(fā)生組織變化的部位，用不同號砂紙進行打磨，然后分別進行化學拋光和機械拋光，再采用4%硝酸酒精腐蝕，最后進行覆膜。金相檢測主要檢驗材料的硫化物、氧化物、非金屬夾雜物以及晶體的晶粒度等項目。超高壓水晶釜的釜體材料為PCrNi3MoVA，其正常的金相組織為回火索氏體，組織晶粒度通常為4級～6級。在進行金相分析時，低倍組織中不可以存在裂紋、夾渣、氣孔、白點等缺陷，而且疏松和偏析不可以大于2級。如果釜體中有較多的貝氏體組織出現(xiàn)，表明運行過程中溫度偏高，導致材料的韌性下降[9]。

4 結語

超高壓水晶釜有著較高的運行參數(shù)和苛刻的工作介質，通過對制造材料、結構特點、工藝過程的了解，分析其存在應力腐蝕開裂、回火脆化、局部過量變形、疲勞損傷等四種損傷模式，針對這四種損傷模式分別采用內窺鏡檢測、鼓脹變形檢測、超聲檢測、磁粉檢測、硬度測定及金相檢測等手段，可有效提高超高壓水晶釜檢測的科學性以及對缺陷的檢出率，這為降低水晶釜運行風險，保障其安全、穩(wěn)定地運行有著重要的意義。