水壓試驗在承壓類特種設備檢驗中的應用

周榮興

摘 要：本文主要介紹了水壓試驗在承壓類特種設備檢驗中的作用、目的，以及水壓試驗注意事項。水壓試驗與內(nèi)部檢驗、外部檢驗互補運用，才能真正形成對承壓設備的全方位檢驗；并指出在當前承壓類特種設備定期檢驗中水壓試驗檢驗應得到檢驗機構和監(jiān)察部門的足夠重視。

關鍵詞：水壓試驗；特種設備檢驗；應力分布；應力腐蝕

承壓專用設備的耐壓試驗是采用靜載試驗方法對承壓件綜合強度進行驗證，綜合評價承壓件質(zhì)量的試驗，可用于壓力測試的介質(zhì)類型包括液體和氣體。由于水常溫性能穩(wěn)定、壓縮性小、易于取用，因此用水作為制造檢查、安裝檢查和特殊壓力設備的定期檢查，中等耐壓測試是最常見的。靜水壓試驗是指以水為介質(zhì)的受壓元件，受壓部件或整個設備以規(guī)定的試驗壓力和保壓時間進行的壓力試驗。水壓試驗的目的主要有兩個方面，即壓力部件的抗壓強度和密封性的檢查；對于制造過程中的水壓試驗，它還具有改變壓力部分的應力分布和改善缺陷處的應力條件以發(fā)現(xiàn)缺陷的效果影響。

1、水壓試驗作用、目的

1.1檢驗受壓部件的耐壓強度

在壓力部件的制造過程中，靜水壓試驗具有評估承壓部件是否結(jié)構合理，強度計算準確，加工制造質(zhì)量合格的效果。例如，幾年前在鍋爐工廠開發(fā)相變鍋爐的過程中，設計人員在結(jié)構設計中大膽使用新結(jié)構和新技術。但是，在進行強度計算時，結(jié)構計算沒有得到標準加強，結(jié)構設計不夠好，導致在第一次水壓試驗期間發(fā)生嚴重殘余變形；設計者優(yōu)化和改進了用于水壓試驗的肋條，因而第二道水壓試驗順利通過。在使用中的鍋爐，壓力容器和壓力管道已運行多年后，承壓部件將經(jīng)受一定的腐蝕和磨損，其中一些會顯示腐蝕、疲勞、裂縫，有些會過熱或過燒。在制造過程中留下的缺陷已經(jīng)惡化，并且一些承壓部件局部出現(xiàn)缺陷又無法被檢查到。此時靜水壓測試可以檢查強度是否能夠繼續(xù)滿足需要，液壓測試可以有效避免因受壓部件損壞和運行中不可發(fā)現(xiàn)的缺陷造成的事故。

1.2檢驗受壓部件的嚴密性

水壓試驗的另一個目的是驗證壓力部件的密封性，主要檢查壓力部位，密封面的接頭是否緊固，焊縫有沒有泄漏。在鍋爐制造和安裝過程中，有時會由于漏水和焊縫及密封表面的滲水而導致液壓測試失敗。筆者曾在鍋爐制造的水壓試驗中遇到過：焊工在焊接煙管和回燃室前面板時，因中途停頓而導致忘記完成一處焊接，結(jié)果水壓試驗時，導致回燃室進水。質(zhì)量保證體系人員一起分析原因：焊工和現(xiàn)場檢查人員缺乏責任感，質(zhì)量意識不夠，在對中途停頓未完成的工作未做標識且又沒有目視檢查每個焊縫。在鍋爐、壓力容器、壓力管道制造、安裝監(jiān)督檢驗過程中，靜水壓試驗作為A級監(jiān)督檢驗項目進行。制造商或安裝公司必須有監(jiān)督和檢查人員在整個靜水壓測試過程中現(xiàn)場見證和確認。

1.3改善應力分布和應力狀況及早發(fā)現(xiàn)缺陷

水壓試驗的另一個作用是改變應力部分的應力分布并改善缺陷處的應力。由于結(jié)構或技術原因，鍋爐、壓力容器和壓力管道局部區(qū)域可能存在較大的殘余拉應力。測試時，它們與測試負載應力相互作用，這可能導致材料局部屈服并產(chǎn)生應力分布，從而消除或減少原始的殘余拉應力。在較高的試驗壓力下，裂紋尖端發(fā)生塑性變形，裂紋尖端的曲率半徑增大，裂紋尖端材料的應力集中系數(shù)降低，尖端附近的局部應力將會減少。在釋壓之后，裂紋尖端的塑性變形區(qū)域受到周圍彈性材料的收縮的影響，導致該區(qū)域的殘余壓應力，這可以部分抵消鍋爐經(jīng)受的拉應力。因此，在壓力部分中的裂紋受到過載應力之后，在恒定的低載荷下裂紋傳播速度可能顯著延遲。如果試驗載荷應力與內(nèi)部應力疊加，將導致局部應力值超過材料的許用應力并產(chǎn)生裂紋。這表明內(nèi)部應力值過大，需要進行熱處理等措施來消除制造過程中產(chǎn)生的內(nèi)部應力，通過水壓試驗，可以及早發(fā)現(xiàn)類似的缺陷，采取適當?shù)拇胧苊忸愃剖鹿实陌l(fā)生。

2、水壓試驗的注意事項

2.1控制測試水溫和環(huán)境溫度

隨著溫度的降低，金屬材料的韌性下降，脆性增加。當結(jié)構具有裂紋缺陷時，在一定的應力條件和溫度下會發(fā)生低應力脆性破壞。為了防止測試過程中水的溫度過低，測試過程中測試水的溫度由受壓設備的減壓脆性故障控制。碳鋼、16Mn鋼、15MnNb鋼和15MnV鋼壓力設備的水溫不應低于5℃；對于其他低合金鋼壓力設備，如果材料不是由于板厚等因素造成的，水溫不得低于15℃。如果延性轉(zhuǎn)變溫度升高，水溫必須相應提高或根據(jù)設計圖紙；在正常情況下，水溫不應低于大氣露點溫度，否則水壓試驗會結(jié)露在設備上，從而影響判斷。水壓試驗周圍的環(huán)境溫度不應低于5℃，否則，應采取有效的防凍措施，如設置篝火并在壓力設備周圍加熱。

2.2控制氯離子濃度

在奧氏體不銹鋼壓力設備中，無論是高濃度的氯離子，還是高溫高壓水中的微量氯離子，都會對奧氏體不銹鋼造成應力腐蝕，經(jīng)常會靠近焊縫發(fā)生應力腐蝕開裂，不然會導致壓力設備爆裂。這種應力腐蝕是由溶液中的氯離子引起的，氯離子會損壞不銹鋼表面上的鈍化膜，在拉應力的作用下，鈍化膜的受損區(qū)域受到腐蝕和裂紋，成為腐蝕電池的陽極區(qū)，會發(fā)生持續(xù)的電化學腐蝕，最終導致金屬斷裂。為了防止應力腐蝕，在奧氏體不銹鋼壓力設備的水壓試驗過程中，試驗水的氯離子濃度不應超過25mg/L，水壓試驗后立即用壓縮空氣干燥殘留水分。

3、目前水壓試驗在承壓類特種設備檢驗中應用的不足

液壓試驗是壓力專用設備制造和安裝中檢驗壓力設備質(zhì)量的重要手段之一。仔細進行水壓試驗，檢查壓力設備是否合格。設備使用前的制造和安裝質(zhì)量有一定的保證，設備可靠。經(jīng)過多年的壓力設備操作，壓力部件遭受腐蝕、磨損、變形、材料變質(zhì)、疲勞、裂紋、過熱或燒毀，以及制造過程中留下的一些缺陷已經(jīng)形成，所有這些都將導致使用狀態(tài)偏離設計狀態(tài)，導致受壓部件的強度降低。此時，通過水壓試驗，可以檢查強度是否能夠繼續(xù)滿足使用要求。有些受壓設備不能進行內(nèi)部和外部綜合檢查，使用內(nèi)窺鏡、管道探測器和其他測試設備的測試成本很高，使用水壓測試進行驗證測試應該是一種經(jīng)濟可行的方法。水壓試驗可以有效避免運行過程中受壓部件損壞造成的事故以及不易發(fā)現(xiàn)的缺陷。2008年，引發(fā)青島堿業(yè)有限公司“6.29”鍋爐聯(lián)絡管爆炸的重大安全事故，造成了不正常的重大安全事故?！罢羝仩t安全技術監(jiān)察規(guī)程”和“鍋爐定期檢查規(guī)則”明確規(guī)定：鍋爐定期檢查包括內(nèi)部檢查，外部檢查和液壓試驗。目前，在役特種設備檢查工作基本上是通過內(nèi)部檢查和外部檢查進行的。但由于實際情況的限制，水壓試驗的檢測尚未得到特種設備檢驗監(jiān)督部門的充分重視和應用，尚未納入法定檢驗評估范圍（定期檢驗率評估完成）。靜水壓試驗可補充內(nèi)部和外部檢查，以真正形成對壓力設備的全面檢查。

結(jié)語

綜上所述，水壓試驗能有效的檢測承壓類特種設備的耐壓強度、部件的嚴密性以及設備應力分布和應力狀況，從而采取有效的措施進行預防，避免設備由于壓力過大而發(fā)生故障，影響設備的正常運行。目前，水壓試驗在承壓類特種設備檢驗中應用還存在一些不足，所以還需要加強水壓試驗的研究和應用，充分發(fā)揮水壓試驗的作用。

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（作者單位：揚州華大鍋爐有限公司）