鍋爐和壓力容器及壓力管道檢驗(yàn)中裂紋問題分析

錢冰，張樹川，姚新寬

淄博市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，山東淄博，255000

0 引言

鍋爐和壓力容器是一種在工業(yè)和民生領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的承壓設(shè)備，這些設(shè)備在安全方面有著嚴(yán)格且特殊的要求。為確保此類設(shè)備的安全運(yùn)行，國家對其在設(shè)計(jì)、制造、安裝和使用等環(huán)節(jié)上均制定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。鍋爐、壓力容器以及壓力管道在使用過程當(dāng)中會長期處于高溫、高壓的環(huán)境中，惡劣的運(yùn)行環(huán)境就會造成其出現(xiàn)裂縫，而以上設(shè)備出現(xiàn)裂紋時(shí)會增加其發(fā)生爆炸的概率，最終可能造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[1]。因此需要對鍋爐、壓力容器以及壓力管道進(jìn)行較為全面細(xì)致的檢查，并應(yīng)及時(shí)對檢查出來的裂紋進(jìn)行相應(yīng)的處理。本文將對鍋爐、壓力容器及壓力管道裂紋的檢查和處理技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)展開分析。

1 鍋爐和壓力容器及壓力管道的特點(diǎn)

鍋爐是利用電力、各類燃料或其他能源加熱所裝載的液體，使其達(dá)到一定參數(shù)的密封裝置，在加熱過程中其會承載一定壓力。壓力容器可盛裝氣體或者液體，并承載一定壓力，其用途非常廣泛，在軍工、民用、工業(yè)方面及科研領(lǐng)域都有重要的地位和作用，但在石油和化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域使用最多。通常情況下，壓力容器可帶加熱功能或不帶加熱功能。壓力管道是指利用一定壓力輸送氣體或液體的特種設(shè)備，其所承載壓力通常大于或等于0.1MPa。鍋爐和壓力容器及壓力管道在運(yùn)行和使用過程中均需承載一定的壓力，并常在高溫高壓環(huán)境下運(yùn)行，設(shè)備如果出現(xiàn)裂紋就會造成安全事故，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失，因此為了確保這些設(shè)備的安全運(yùn)行，就需要專業(yè)人員按照國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對裂紋進(jìn)行檢驗(yàn)和處理[2]。

2 鍋爐和壓力容器及壓力管道出現(xiàn)裂紋的種類

2.1 應(yīng)力腐蝕性裂紋

鍋爐和壓力容器及壓力管道長時(shí)間處于應(yīng)力和腐蝕性物質(zhì)的作用下時(shí)，會出現(xiàn)樹狀裂紋，該類裂紋多見于鍋爐汽水管道中。研究表明，管道內(nèi)熱水介質(zhì)受到一定壓力的作用會持續(xù)性地定向流動(dòng)，且經(jīng)過長期運(yùn)行會給管道內(nèi)部造成腐蝕作用，管道的強(qiáng)度就會隨著熱水的腐蝕及管道內(nèi)的壓力影響而下降，當(dāng)管道強(qiáng)度下降到臨界值時(shí)就會出現(xiàn)變形的情況，而隨著管道外表面受到的壓力值超過該區(qū)域的應(yīng)力極限時(shí)，管道就會出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕性裂紋。

2.2 疲勞裂紋

疲勞裂紋是鍋爐和壓力容器以及壓力管道損壞中的常見損傷，裂紋在開始階段較小，發(fā)展到中后期時(shí)就會越來越大。疲勞裂紋主要分為以下三種：①機(jī)械疲勞裂紋，主要出現(xiàn)在鍋爐輔助系統(tǒng)的傳動(dòng)配件中；②熱疲勞裂紋，主要是由于外部應(yīng)力大于鍋爐和壓力容器及壓力管道的拉伸強(qiáng)度且反復(fù)作用于該部位，從而產(chǎn)生裂紋；③腐蝕疲勞裂紋，是指鍋爐和壓力容器及壓力管道出現(xiàn)的裂紋損傷，隨著時(shí)間的推移管道受到腐蝕的程度隨之?dāng)U大而產(chǎn)生的裂紋[3]。

2.3 過熱過冷裂紋

鍋爐和壓力容器以及壓力管道的主要制成材料為金屬，在其制作和安裝過程當(dāng)中需要經(jīng)過多道工藝技術(shù)，而由于有些材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在此過程當(dāng)中就會出現(xiàn)裂紋。如在焊接過程中，由于焊接時(shí)間過長或焊接工藝的問題，就會形成焊接裂縫；若焊接縫冷卻時(shí)間過長，就會形成冷裂縫。

2.4 結(jié)構(gòu)性應(yīng)力裂縫

鍋爐和壓力容器及壓力管道會根據(jù)設(shè)計(jì)和使用需求，向著大型化、精密化、復(fù)雜化的方向發(fā)展，因此會大量應(yīng)用“工”字型和“人”字型的工藝結(jié)構(gòu)。由于該工藝結(jié)構(gòu)的制造與安裝要求比較高，在現(xiàn)場安裝過程中為保障設(shè)備整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，各個(gè)構(gòu)件之間就會產(chǎn)生相互的應(yīng)力作用，而隨著設(shè)備使用時(shí)間的增加，在結(jié)構(gòu)件之間的應(yīng)力維持不變的情況下，管道逐漸老化，會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性應(yīng)力裂紋。此種類型裂紋的產(chǎn)生會受到設(shè)計(jì)方法、焊接工藝、材料選擇等多方面因素的影響[4]。

2.5 蠕變裂紋

在鍋爐和壓力容器以及壓力管道使用的過程當(dāng)中，會受到溫度、壓力和應(yīng)力因素的影響，在冷熱交替的過程當(dāng)中產(chǎn)生的非彈性應(yīng)變不能恢復(fù)，在降溫過程當(dāng)中產(chǎn)生拉應(yīng)力且超過金屬的拉伸強(qiáng)度的極限值，經(jīng)過長期的反復(fù)作用造成蠕變裂紋。此種類型的裂紋會隨著設(shè)備使用時(shí)間的增加而呈現(xiàn)出向外擴(kuò)張的狀態(tài)。

3 鍋爐和壓力容器及壓力管道裂紋的檢驗(yàn)方法和內(nèi)容

3.1 檢驗(yàn)內(nèi)容

鍋爐和壓力容器及壓力管道裂紋的檢驗(yàn)內(nèi)容如下：①注意設(shè)備的基本狀態(tài)和所處的運(yùn)行環(huán)境，并對壓力管道的形狀、安裝和維修信息進(jìn)行綜合評估，準(zhǔn)確判斷壓力管道是否需要進(jìn)行更換；②注意設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下管道內(nèi)溫度和壓力的變化情況，當(dāng)出現(xiàn)裂紋時(shí)，設(shè)備的運(yùn)行溫度和壓力就會出現(xiàn)明顯變化，同時(shí)也會對設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生影響，因此需要對設(shè)備進(jìn)行定期檢查[5]。當(dāng)設(shè)備處于停運(yùn)狀態(tài)時(shí)，再次開啟前需要專業(yè)的工作人員進(jìn)行整體排查，以避免造成安全事故。

3.2 檢驗(yàn)方法

鍋爐和壓力容器以及壓力管道裂紋的校驗(yàn)方法如下：①外部檢驗(yàn)，該方法主要是對設(shè)備的外觀結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行檢查，檢驗(yàn)人員在此過程中可以使用相關(guān)設(shè)備來進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的采集，便于后期用于數(shù)據(jù)分析，如采集設(shè)備的安全控制系統(tǒng)是否正常運(yùn)行及日常保養(yǎng)情況方面的數(shù)據(jù)信息。②內(nèi)部檢驗(yàn)，該方法主要是在確保設(shè)備停止運(yùn)行的狀態(tài)下，按照政府部門公布的行業(yè)檢查標(biāo)準(zhǔn)，按照規(guī)定及規(guī)范進(jìn)行操作，逐步對設(shè)備的每個(gè)部位進(jìn)行排查，且重點(diǎn)關(guān)注以前檢查中發(fā)現(xiàn)問題的部位，并參照設(shè)備日常運(yùn)行記錄對可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行檢查。檢查前，檢驗(yàn)人員要根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)際情況制定出完整、詳細(xì)的檢查方案，保證排除可能導(dǎo)致安全事故發(fā)生的隱患。③水壓檢測，該方法主要是以水為介質(zhì)向管道內(nèi)施加規(guī)定范圍內(nèi)的壓力，從而通過水的特性檢測管道的嚴(yán)密性，同時(shí)也能夠檢測出設(shè)備是否能夠承受其理論壓力值[6]。通過以上方法能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋和設(shè)備運(yùn)行時(shí)的故障點(diǎn)，并采取相應(yīng)的解決措施。

4 鍋爐和壓力容器及壓力管道裂紋的探測技術(shù)

4.1 超聲波檢測技術(shù)

超聲波檢測是一種廣泛應(yīng)用于探測金屬內(nèi)部缺陷的技術(shù)，在對鍋爐和壓力容器以及壓力管道進(jìn)行檢測時(shí)，運(yùn)用專業(yè)儀器向被檢查的設(shè)備發(fā)射超聲波，并通過探頭接收反射波的同時(shí)在圖像顯示設(shè)備中進(jìn)行呈現(xiàn)。通過該項(xiàng)探測技術(shù)，檢測人員能夠更加直觀地判斷和評估出裂紋的狀態(tài)，同時(shí)還能得到裂紋的準(zhǔn)確位置，以便后期進(jìn)行處理。

4.2 滲透檢測技術(shù)

滲透檢測是一種使用毛細(xì)管原理的技術(shù)，其應(yīng)用于非疏孔性金屬或者非金屬零部件的開口缺陷的檢測，具有操作簡單、顯示直觀、容易判斷的特點(diǎn)，但該技術(shù)同時(shí)也會使被檢測設(shè)備表面受到污染。

4.3 磁粉檢測技術(shù)

磁粉檢測是一種使用磁粉進(jìn)行設(shè)備探傷的技術(shù)，主要應(yīng)用于碳鋼類材料的表面或近表面缺陷的檢測，其操作方便，不污染被檢測設(shè)備，同時(shí)還能得到裂紋的缺陷大小和準(zhǔn)確位置，以便后期進(jìn)行處理。

5 鍋爐和壓力容器以及壓力管道裂紋的防治措施

5.1 加強(qiáng)質(zhì)量管理和檢測水平

在鍋爐和壓力容器以及壓力管道的制造、安裝過程當(dāng)中，由于相關(guān)管理和檢測制度落后，落實(shí)不到位，從而造成材料質(zhì)量和制作工藝不過關(guān)，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)裂紋。因此在日常工作當(dāng)中需加強(qiáng)材料的監(jiān)管力度，要嚴(yán)格落實(shí)特種設(shè)備的相關(guān)管理規(guī)定，對原材料從采購、入庫、領(lǐng)用形成一個(gè)完整的監(jiān)管體系，對一些有特殊要求的材料必須按照要求進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，確保原材料和產(chǎn)品的質(zhì)量及使用壽命。

5.2 對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)工藝進(jìn)行優(yōu)化

在日常工作中對鍋爐和壓力容器及壓力管道產(chǎn)生裂紋的主要原因進(jìn)行總結(jié)和分析，以便在以后的生產(chǎn)和安裝過程當(dāng)中有效減少裂紋的產(chǎn)生，主要方法如下：①在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)盡量減少不連續(xù)結(jié)構(gòu)，從而有效減少應(yīng)力的產(chǎn)生，并在需要焊接工藝的位置，選用材料和介質(zhì)相容性好的進(jìn)行焊接，以提升焊接的成功率；②要根據(jù)產(chǎn)品使用需求設(shè)計(jì)合理的焊接、制造和安裝方案，從而有效減少結(jié)構(gòu)性應(yīng)力的產(chǎn)生；③在設(shè)備安裝過程中需做好連接和加固工藝，保障產(chǎn)品相關(guān)部位的穩(wěn)定性，從而有效避免因?yàn)橥獠拷Y(jié)構(gòu)的缺陷而導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生裂紋。

5.3 確保鍋爐和壓力容器以及壓力管道的運(yùn)行狀態(tài)

鍋爐和壓力容器以及壓力管道在使用過程當(dāng)中產(chǎn)生裂紋，其很大原因就是長期的超負(fù)荷使用，這就需要在使用設(shè)備或管道時(shí)盡可能地使其處于正常平衡的狀態(tài)，減少管道壓力、冷熱交替以及頻繁地開停機(jī)，在必要時(shí)候需要增加緩沖裝置，保證各環(huán)節(jié)符合標(biāo)準(zhǔn)，最大程度地降低鍋爐和壓力容器及管道承受的疲勞度。因此，在實(shí)際操作中，應(yīng)控制好關(guān)鍵步驟，如啟動(dòng)、停車、運(yùn)行，保證各設(shè)備管道處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5.4 定期開展檢驗(yàn)、加強(qiáng)檢修維護(hù)

鍋爐和壓力容器以及壓力管道在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中應(yīng)用的頻率較高，強(qiáng)度比較大，因而需要定期開展檢修、維護(hù)，對設(shè)備、管道制定針對性的檢修及維護(hù)方法，對可能產(chǎn)生的裂紋進(jìn)行重點(diǎn)檢查，確保安全。利用成熟的檢測方法進(jìn)行檢測。在檢驗(yàn)中或維修時(shí)，對可能會存在的危險(xiǎn)因素進(jìn)行分析，并及時(shí)處理。對表面裂紋可通過打磨來消除，對較深的裂紋需要先打止裂孔再進(jìn)行打磨消除。若難以消除多層壓力容器產(chǎn)生的裂紋缺陷時(shí)，可利用有限計(jì)算方法進(jìn)行核檢?？傊?，針對裂紋設(shè)備及壓力管道，應(yīng)做好檢修維護(hù)管理，明確維護(hù)細(xì)節(jié)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理問題，降低安全隱患[8-9]。

5.5 加強(qiáng)鍋爐運(yùn)行過程中的安全管理

管道的制造材料是影響鍋爐性能與安全的關(guān)鍵，因而，為確保鍋爐的安全、穩(wěn)定、長遠(yuǎn)運(yùn)行，需要對鍋爐使用企業(yè)進(jìn)行全方位調(diào)研，選擇合適的鍋爐管道制造材料。從長久發(fā)展的情況來看，市場可被選擇的鍋爐安裝材料品類繁多，為了能選擇合適的材料，就需要鍋爐使用企業(yè)安排專職人員分析對比各種材料的優(yōu)缺點(diǎn)，而后根據(jù)工程需求選擇適合的安裝材料。為了確保材料的長期供應(yīng)，鍋爐企業(yè)可以與材料供應(yīng)商形成長期合作關(guān)系，簽訂合作協(xié)議，明確雙方責(zé)任，確保鍋爐生產(chǎn)所使用的材料符合要求[10-11]。

5.6 提高相關(guān)人員對鍋爐壓力管道的操作能力

為確保鍋爐和壓力容器及壓力管道的安全平穩(wěn)運(yùn)行，鍋爐的安全管理部門在選派鍋爐運(yùn)行管理人員時(shí)，必須設(shè)定嚴(yán)苛的從業(yè)人員錄取標(biāo)準(zhǔn)，只有滿足標(biāo)準(zhǔn)的人員才能夠進(jìn)入鍋爐運(yùn)行管理現(xiàn)場。選聘好人員后，必須確保所有鍋爐運(yùn)行管理人員持證上崗，且在選派人員正式上崗之前，必須對其展開崗前培訓(xùn)，使其能夠較為全面地了解鍋爐的基本操作規(guī)范與操作要求。在日常的鍋爐維護(hù)運(yùn)行中，相關(guān)人員需要在提升熱量轉(zhuǎn)化效率的基礎(chǔ)上，采取積極的安全措施來確保鍋爐使用操作的安全與穩(wěn)定。在鍋爐日常運(yùn)行管理當(dāng)中，企業(yè)要特別注重利用先進(jìn)技術(shù)手段來提高鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定性，并通過先進(jìn)技術(shù)設(shè)備和檢測手段確保鍋爐的壓力管道處于一種良好的運(yùn)行狀態(tài)。

6 結(jié)語

綜上所述，鍋爐和壓力容器及壓力管道裂紋是設(shè)備運(yùn)行過程當(dāng)中十分常見的一種問題，其在設(shè)備運(yùn)行的各環(huán)節(jié)都存在，鍋爐和壓力容器及壓力管道出現(xiàn)裂紋將會嚴(yán)重威脅到設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行以及人員安全，甚至?xí)斐韶?cái)產(chǎn)損失。為確保鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行，需要相關(guān)人員加強(qiáng)對鍋爐和壓力容器及壓力管道裂紋檢驗(yàn)的重視，運(yùn)用科學(xué)檢驗(yàn)手段及時(shí)發(fā)現(xiàn)、提前預(yù)防、優(yōu)化處理設(shè)備運(yùn)行中的裂紋，為我國企業(yè)的發(fā)展提供支持。