對(duì)壓力容器壓力管道檢驗(yàn)中裂紋問(wèn)題的探析

謝覲安 張城松

湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院常德分院，湖南常德 415000

壓力容器長(zhǎng)期處于高溫、高壓等惡劣環(huán)境中，對(duì)壓力管道的密封性提出了較高要求，如果管道出現(xiàn)裂紋，就會(huì)增加爆炸風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于生產(chǎn)企業(yè)而言，要想提高生產(chǎn)效率和安全性，就必須做好檢驗(yàn)工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)壓力管道裂紋，并采取有效措施進(jìn)行處理。以下結(jié)合實(shí)踐進(jìn)行探討。

1 壓力容器壓力管道的檢驗(yàn)內(nèi)容

1.1 分析工作環(huán)境

檢驗(yàn)壓力管道時(shí)，首先了解壓力容器的采購(gòu)時(shí)間、使用時(shí)間。以容器外壁檢驗(yàn)為例，檢驗(yàn)內(nèi)容包括溫度環(huán)境、輸水環(huán)境、放水環(huán)境、可支撐環(huán)境等，防止內(nèi)外溫差過(guò)大導(dǎo)致管壁出現(xiàn)裂紋。值得注意的是，檢驗(yàn)過(guò)程中要控制輸水、放水、可支撐環(huán)境，創(chuàng)建一個(gè)安全的檢驗(yàn)環(huán)境。如果容器接受過(guò)技術(shù)改造，還要檢驗(yàn)溫控系統(tǒng)，確保處于合理的工作環(huán)境中。

1.2 核對(duì)技術(shù)資料

壓力管道檢驗(yàn)期間，要對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果和技術(shù)資料進(jìn)行核對(duì)，例如，最大承受壓力、剛度、薄弱點(diǎn)等。不論是內(nèi)部檢驗(yàn)還是外部檢驗(yàn)，如果檢驗(yàn)結(jié)果和技術(shù)資料不同，就說(shuō)明存在質(zhì)量問(wèn)題，要對(duì)運(yùn)行性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)；壓力管道經(jīng)檢驗(yàn)沒(méi)有裂紋缺陷，就要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，看壓力管道的剛度變化情況。值得注意的是，安全等級(jí)為1級(jí)或2級(jí)的壓力容器，檢驗(yàn)周期是6年1次；安全等級(jí)為3級(jí)的壓力容器，檢驗(yàn)周期是3～6年1次，要求管理人員定期檢驗(yàn)，以排除安全隱患[1]。

1.3 開(kāi)展水壓測(cè)試

壓力管道的檢驗(yàn)，主要采用水壓測(cè)試法，如圖1所示。觀察水流在靜止?fàn)顟B(tài)、流動(dòng)狀態(tài)下的穩(wěn)定性，從而判斷壓力管道的密封性。水壓測(cè)試期間，技術(shù)要點(diǎn)如下：（1）根據(jù)外界溫度的不同，水壓設(shè)置也不同，如果管道存在裂紋、裂縫，就會(huì)出現(xiàn)滲水漏水等現(xiàn)象；（2）技術(shù)含量高，不僅測(cè)試工藝復(fù)雜，還要進(jìn)行后期處理，避免影響容器的正常運(yùn)行；（3）整個(gè)測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，完成檢測(cè)后，測(cè)試人員和焊接人員要溝通交流，制定相應(yīng)的修補(bǔ)措施，以保證容器正常運(yùn)行。標(biāo)準(zhǔn)水壓試驗(yàn)示意圖如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)水壓試驗(yàn)示意圖

2 壓力管道裂紋的類(lèi)型和特征

2.1 疲勞裂紋

一是機(jī)械疲勞裂紋。通常發(fā)生在小孔、尖角、接頭、加工刀痕、焊縫熱影響部位，一般呈直線狀態(tài)，初始階段裂紋短小，然后逐漸發(fā)展成為一條長(zhǎng)裂紋，后期裂紋的寬度、長(zhǎng)度快速增加。在微觀上，影響機(jī)械疲勞的因素，包括材料結(jié)構(gòu)、組織狀態(tài)、受力條件、環(huán)境介質(zhì)等。裂紋開(kāi)口處較寬，伴有粘結(jié)斑坑；兩側(cè)則平整光滑，深度較淺。

二是腐蝕疲勞裂紋。腐蝕疲勞裂紋的出現(xiàn)，本質(zhì)上是承壓部件處于汽水環(huán)境中失效的一種形式，常出現(xiàn)在汽包和集箱管座處。該部位不僅承受較大壓力，還會(huì)受到傳遞振動(dòng)應(yīng)力的影響，隨著時(shí)間延長(zhǎng)最終出現(xiàn)裂紋并斷裂。和一般疲勞相比，腐蝕疲勞裂紋具有穿晶性，且裂紋數(shù)量多，縫隙內(nèi)充滿腐蝕物，管壁上可見(jiàn)溝槽、通道、腐蝕坑等[2]。在微觀上，腐蝕疲勞是腐蝕介質(zhì)、應(yīng)力共同作用的結(jié)果，裂紋處可見(jiàn)明顯的腐蝕破壞特征，從內(nèi)壁形成長(zhǎng)度、深度不一的裂紋群。

三是熱疲勞裂紋。壓力管道由金屬材料制成，在低于拉伸強(qiáng)度條件下，受到熱交變應(yīng)力的反復(fù)作用，可能造成熱疲勞斷裂。以火電廠為例，熱疲勞裂紋常出現(xiàn)在蒸汽管道、輸水管道、排汽管道上，一般起源于部件表面熱應(yīng)力最大的部位。其中一條是主裂紋，其余裂紋在應(yīng)力松弛的影響下，不會(huì)擴(kuò)展或擴(kuò)展速度減慢。在微觀上，熱疲勞裂紋不規(guī)則，寬度可大可小，具有間斷性，甚至產(chǎn)生分支和二次裂紋；管壁受到熱沖擊后，裂紋呈現(xiàn)網(wǎng)簇狀分布，主裂紋會(huì)軸向擴(kuò)展，若壓應(yīng)力過(guò)大裂紋還會(huì)向四周擴(kuò)展。

2.2 蠕變裂紋

蠕變裂紋是在溫度、應(yīng)力作用下，導(dǎo)致管道材料分離，伴有金屬變形、損傷等現(xiàn)象，最終出現(xiàn)裂紋。蠕變裂紋的走向，和最大應(yīng)力方向垂直，呈現(xiàn)軸向分布。裂紋曲折發(fā)展，會(huì)形成較寬的裂紋帶，主裂紋兩側(cè)有多個(gè)平行分布的小裂紋。在壓力管道中，蠕變裂紋集中在高應(yīng)力應(yīng)變區(qū)，例如，高溫構(gòu)件、過(guò)熱脹粗管、熱影響區(qū)等。在微觀上，蠕變裂紋可見(jiàn)橢圓形孔洞，且裂紋沿晶擴(kuò)展。在焊縫損傷部位，裂紋由外向內(nèi)發(fā)展，分支走向和焊縫熔合線相互平行。

2.3 應(yīng)力腐蝕裂紋

應(yīng)力腐蝕裂紋，是應(yīng)力作用、腐蝕介質(zhì)共同作用的結(jié)果，常見(jiàn)于集箱管座、汽水管道等部位。在管道材質(zhì)上，奧氏體不銹鋼易遭受應(yīng)力腐蝕，只需很小的應(yīng)力就可能引起腐蝕開(kāi)裂，影響因素包括振動(dòng)、加工變形等。該裂紋的發(fā)展和張應(yīng)力相垂直，壓力管道出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋，呈現(xiàn)帶狀且向軸向延伸，具有長(zhǎng)度短、開(kāi)口寬、數(shù)量多的特點(diǎn)[3]。在微觀上，裂紋呈“之”字形發(fā)展，由表面向內(nèi)部擴(kuò)展，起源處組織結(jié)構(gòu)不連續(xù)。

3 針對(duì)壓力管道裂紋的防治措施

3.1 加強(qiáng)原料零件檢驗(yàn)

對(duì)原料進(jìn)行檢驗(yàn)，能從源頭上保證壓力管道質(zhì)量，降低裂紋發(fā)生率，提高壓力容器運(yùn)行的安全性。具體來(lái)說(shuō)，應(yīng)該制定科學(xué)合理的原料采購(gòu)計(jì)劃，做好市場(chǎng)調(diào)查工作，了解原料的性能、規(guī)格、價(jià)格等要素，選擇有實(shí)力、有資質(zhì)的供貨商，提高原料的性價(jià)比。其次在零件加工時(shí)，應(yīng)該嚴(yán)格控制技術(shù)工藝，保證加工作業(yè)的流程化、規(guī)范化，將尺寸誤差控制在允許范圍內(nèi)[4]。最后在設(shè)備出廠前，除了生產(chǎn)商自我檢測(cè)以外，還應(yīng)該邀請(qǐng)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)，防止廠商作弊，及時(shí)發(fā)現(xiàn)不合理、不規(guī)范等問(wèn)題。針對(duì)存在的問(wèn)題，要求廠商及時(shí)整改，直至滿足規(guī)范技術(shù)要求，降低壓力管道裂紋的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 控制容器壓力限值

針對(duì)壓力管道裂紋的防治工作，應(yīng)該貫穿在生產(chǎn)、施工、維修全過(guò)程，將壓力值控制在極限范圍以內(nèi)。一方面，采用PLC控制系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)壓力容器的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，分析溫度、壓力、流速等參數(shù)的變化，針對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，避免系統(tǒng)出現(xiàn)故障。另一方面，針對(duì)壓力容器的薄弱部位，應(yīng)該采取加固防裂措施，例如，外壓加強(qiáng)圈；對(duì)于焊接部位，合理選擇焊接形式，控制焊縫大小和走向，提高壓力管道的整體性。

3.3 落實(shí)維護(hù)保養(yǎng)工作

壓力容器具有明確的使用壽命和工作條件，控制工作環(huán)境，能減輕設(shè)備損耗，延長(zhǎng)使用壽命，避免出現(xiàn)裂紋。對(duì)此，要制定科學(xué)的運(yùn)行方案，合理安排使用時(shí)間、維修時(shí)間、停運(yùn)時(shí)間，對(duì)環(huán)境溫度、濕度、壓力等因素進(jìn)行控制，改善壓力容器的運(yùn)行環(huán)境[5]。還要加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)，委派專(zhuān)人定期巡檢、檢測(cè)，制定大修計(jì)劃，及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道存在的問(wèn)題，消除故障隱患，避免因裂紋造成嚴(yán)重的損害。

3.4 提高人員技能水平

工作人員的技術(shù)水平高低，直接影響壓力容器的運(yùn)行質(zhì)量，是導(dǎo)致壓力管道出現(xiàn)裂紋的原因之一。對(duì)此，應(yīng)該從人員本身出發(fā)，提高專(zhuān)業(yè)技能水平，具體措施如下：第一，改進(jìn)人才聘任模式，適當(dāng)提高人才準(zhǔn)入門(mén)檻，將學(xué)歷、技能、經(jīng)驗(yàn)、素養(yǎng)等要素作為錄取標(biāo)準(zhǔn)，只有滿足標(biāo)準(zhǔn)才能進(jìn)入崗位。第二，企業(yè)要重視員工的培訓(xùn)學(xué)習(xí)，定期組織員工開(kāi)展座談會(huì)、專(zhuān)家講座，學(xué)習(xí)先進(jìn)的知識(shí)和技術(shù)，創(chuàng)新工作管理模式，提高容器運(yùn)行的安全性、可靠性。第三，落實(shí)質(zhì)量負(fù)責(zé)制，制定合適的獎(jiǎng)懲激勵(lì)措施，將工作質(zhì)量和薪酬待遇、職位晉升相掛鉤，激發(fā)人員的主觀能動(dòng)性。

4 結(jié)語(yǔ)

壓力容器是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的重要設(shè)備，對(duì)壓力管道進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，要分析工作環(huán)境、核對(duì)技術(shù)資料、開(kāi)展水壓測(cè)試。分析可知，管道裂紋類(lèi)型，主要有疲勞裂紋、蠕變裂紋、應(yīng)力腐蝕裂紋、過(guò)熱過(guò)燒裂紋等。對(duì)于企業(yè)而言，應(yīng)該加強(qiáng)原料零件檢驗(yàn)，控制容器壓力限值，落實(shí)維護(hù)保養(yǎng)工作，并提高人員技能水平，促使壓力容器安全穩(wěn)定運(yùn)行。