小議承壓類特種設備斷層解剖檢驗

梁勁

摘要：承壓類特種設備檢驗時，有時應用現有無損檢測手段不能發現危險的缺陷。文中首次提出斷層解剖檢驗。斷層解剖檢驗將樣品斷層解剖，并逐層檢驗樣品的缺陷。斷層解剖檢驗可以發現缺陷在不同斷面上的形態、尺寸、位置、特點、成因、危害以及多個缺陷相互關系。斷層解剖檢驗發現了封頭上被認為是夾層的缺陷是HB、HIC和SSCC。斷層解剖檢驗是工業CT等三維成像檢驗技術的基礎。

關鍵詞：斷層解剖；斷口檢驗；氫致開裂；夾層

1、斷層解剖檢驗

1.1定義

斷層解剖檢驗是指在檢驗人員對特種設備安全存在重大懷疑時，且現有無損檢測手段不能進行必要的定性、定量檢測時，按相關規定對在用特種設備進行取樣，按一定規律解剖制取樣品，對樣品上的缺陷在不同斷面上的形態、位置、特點、成因、危害以及多個缺陷相互關系進行檢驗。

1.2操作方法

特種設備進行取樣后，一般采用慢走絲線切割，對樣品按需要的角度和間隔進行解剖，解剖后進行掃描、金相、掃描電鏡等必要檢測。

特種設備取樣后一般采用堆焊、焊管或挖補的方法修復。取樣時可以通過取樣模轉孔取樣，也可以用套式內沉孔锪刀、復合锪刀或者便攜式鏜床等設備在現場取樣。取樣后堆焊，或者將剩下的開孔部位加工成雙面坡口，采用挖補方法時，用相同材質和厚度的鋼板制成與開孔大小相等、曲率一致、坡口對應的補板，采用適合的焊接工藝，雙面對接焊方法將其補焊在開孔部位；采用接管方法時，在開孔部位焊接接管，類似于制造時焊接接管的方法，必要時按設計進行補強，焊接接管后用盲板將接管盲死，或焊接法蘭加法蘭蓋。

特種設備取樣過程包括割管等，須確保全部過程符合特種設備維修改造或重大維修改造規定，內容包括設計資質、設計文件、施工資質、施工方案、告知、施工人員證、焊接工藝評定、監檢等。

2、斷層解剖應用舉例

2.1常規檢驗情況

某硫回收裝置的酸性水罐封頭發生開裂，檢驗人員根據測厚值異常發現了該缺陷。筆者對該封頭樣品進行了斷層解剖檢驗，并對開裂原因進行了分析。該容器內徑2400mm，長度7304mm，簡體公稱壁厚12mm，封頭公稱壁厚14mm，封頭材料16MnR，最高操作壓力0.2 MPa，最高操作溫度50℃，介質為酸性水，含接近飽和濃度的硫化氫。使用4年多后，宏觀檢查發現該罐東北側封頭內表面存在不明顯的圓形鼓包，鼓包上存在開裂，開裂從圓心開始呈放射狀。鼓包處及附近測厚值異常，在肉眼不能分辨鼓包部位，有“夾層”缺陷存在，“夾層”距內表面較近，如圖l所示（圖中箭頭為內表面的放射狀開裂）。

圖1酸性水罐內表面

2.2斷層解剖檢驗

將酸性水罐開裂封頭樣品，按一定間隔垂直于容器內表面進行斷層解剖，如圖2所示，圖中放射狀開裂為放大的圖1內表面開裂，多道水平斷層解剖垂直于容器內表面。

從斷層解剖檢驗可以看出內外部開裂狀況，典型開裂為三種開裂（封頭母材內存在平行于表面的鼓包（HB）、鼓包兩端有階梯狀開裂（HIC）、鼓包容器內側表面有垂直于表面的放射狀開裂（SSCC））并存，部分解剖后截面如圖3所示，每個截面上部為內表面，下部為外表面。將所有截面綜合后可得開裂的三維形貌，經斷層解剖檢驗可以看到缺陷的三維形狀和空問相對關系，HB為平行于鋼板表面的球冠形鼓包，HIC為HB外側呈局部環行的階梯，HB和HIC為內部開裂，SSCC為外部開裂。

圖2開裂處的斷層解剖 圖3橫截面開裂狀況

2.3開裂原因分析性作出準確判斷。

經斷層解剖檢驗分析，該封頭存在三種開裂：在濕硫化氫環境中，硫化氫發生水解后與鋼材反應生成具有高的滲透性的氫原子，氫原子在分層或夾雜處（特別是長條狀的MnS）聚集生成氫分子，從而形成內壓，使分層或夾雜處界面分離，導致鋼板形成氫鼓包（HB）；氫氣壓力的作用下，不同層面上的相鄰氫鼓包裂紋相互連接，形成階梯狀氫致開裂（HIC）；氫原子滲入鋼中后，一部分固溶于晶格中，使鋼的脆性增加，在氫氣內壓下鼓包位置產生拉應力，造成硫化物應力腐蝕開裂（SSCC）。

3、斷層解剖檢驗意義

超聲波測厚在肉眼不能分辨鼓包部位發現的夾層缺陷，在斷層解剖檢驗中，證實這些夾層缺陷為HB和HIC，但面積較小且開裂張角很小，屬初期HB和HIC。初期HB和HIC在肉眼看來并末產生鼓包，鋼板厚度無異常，在宏觀檢驗中不能被發現，也不易被射線檢測發現，即使通過超聲波檢測等手段發現了這些近場區缺陷，也容易被誤認為是夾層，如圖4所示。這些易被誤認為夾層的裂紋在下一檢驗周期內會擴展，危及設備安全。

圖4易被誤認為夾層的裂紋

承壓類特種設備中的分層和夾層等缺陷通常不被認為是特別危險，沒有經驗的檢驗人員有時根據無損檢測結果允許設備運行，但隨著氫分子聚集，壓力升高，開裂處內表面隆起，并產生應力腐蝕或應力導向氫致開裂（SOHIC），應力腐蝕開裂或應力導向氫致開裂的擴展，會削弱特種設備的承壓能力，在下一檢驗周期內，當特種設備的承壓能力不足時就會造成事故，本例中可能會造成大量硫化氫泄露的惡性事故。所以，當檢驗人員對特種設備安全存在重大懷疑，尤其是一旦發生事故會造成嚴重后果的情況，且用現有無損檢測手段仍不能進行必要的定性、定量檢測時，通過斷層解剖檢驗可以對設備的安全性作出準確判斷。

本例中，在斷層解剖檢驗前，檢驗人員也對未鼓包處進行了超聲波檢驗，發現不規則的紊亂波波形，他們認為這種不規則的紊亂波形是由于鋼板質量低

劣而引起的（如夾層密集、夾渣等），并得到結論：鼓包周圍材質氫損傷不嚴重。但斷層解剖檢驗發現，鼓包以外也存在大量HIC，這些HIC并未造成鼓包，如果不改變操作條件，很可能會繼續擴展。

有些濕硫化氫環境下的腐蝕，與本例不同，即使裂紋擴展晚期也并不發生HB、SSCC，在表面不易發現。只有HIC或SOHIC。這時如果無損檢測不能準確對HIC或SOHIC檢測時，斷層解剖檢驗是有效檢驗手段。

通過分析不同斷面上的HB、HIC和SSCC形態、位置、特點，有助于分析成因和開裂的擴展性危害以及對多個缺陷相互關系進行檢驗，斷層解剖檢驗可以發現被無損檢測忽視的某些危險缺陷。

4、結語

承壓類特種設備斷層解剖檢驗，對特種設備內部缺陷的不同斷面上的形態、位置、特點、成因、危害以及多個缺陷相互關系進行檢驗。當檢驗人員對特種設備安全存在重大懷疑，且用現有無損檢測手段仍不能進行必要的定性、定量檢測時，通過斷層解剖檢驗可以對設備的安全性作出準確判斷。并通過舉例，說明了斷層解剖檢驗在酸性水罐封頭開裂中的應用，證實該封頭存在HB、HIC、SSCC三種開裂。