基于失效模式的在用壓力容器檢驗(yàn)分析

張毅

（克拉瑪依市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)所，新疆 克拉瑪依 834000）

基于失效模式的在用壓力容器檢驗(yàn)分析

張毅

（克拉瑪依市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)所，新疆 克拉瑪依 834000）

失效分析是一門專業(yè)的技術(shù)，其在在用壓力容器檢驗(yàn)中的應(yīng)用可及時(shí)發(fā)現(xiàn)壓力容器存在的缺陷，從而防止了安全事故的發(fā)生并延長(zhǎng)了壓力容器的使用壽命。本文首先介紹壓力容器失效模式的分類，然后進(jìn)一步分析基于失效模式的在用壓力容器檢驗(yàn)。

在用壓力容器；檢驗(yàn)；失效模式

在制造工藝、環(huán)境條件等因素的影響下，在用壓力容器將不可避免地出現(xiàn)磨損、斷裂、變形、腐蝕和泄漏等失效現(xiàn)象，而通過(guò)分析這些失效現(xiàn)象，可為在用壓力容器的檢驗(yàn)提供可靠依據(jù)。據(jù)此，本文淺析一種基于失效模式的在用壓力容器檢驗(yàn)方案。

1 失效模式

對(duì)于在用壓力容器，其失效模式一般可分為磨損、斷裂、變形、腐蝕和泄漏失效等，具體表現(xiàn)如下：一是塑性破裂，其發(fā)生于塑性變形后，即截面材料在超載后進(jìn)入屈服狀態(tài)，并在完全變形后發(fā)生塑性破裂；二是脆性破裂，其發(fā)生于容器壁應(yīng)力比材料強(qiáng)度極限或屈服強(qiáng)度低的條件下，且一般會(huì)經(jīng)歷開裂、裂紋擴(kuò)展階段，而造成脆性破裂的原因是材料的韌性低；三是疲勞破裂，其發(fā)生的條件包括局部應(yīng)力較高、載荷反復(fù)，其中快開門式壓力容器的疲勞破裂率尤其高；四是腐蝕與沖蝕，其中腐蝕包括大氣、冷卻水、電化學(xué)、微生物、CO2、土壤及堿腐蝕等，而沖蝕是一種固、液、氣等介質(zhì)在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中引起的殼體表面材料移除現(xiàn)象，注意在壓力容器腐蝕失效中，應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞和氫致開裂等的占比超過(guò)50%，則應(yīng)將其視作重點(diǎn)的防腐對(duì)象；五是氫損傷，其作為應(yīng)力腐蝕的一種形式，包括氫誘導(dǎo)裂紋、氫鼓包、氫腐蝕和氫脆，其中氫脆又包括氫致滯后開裂和氫致塑性損失；六是蠕變，其是材料在載荷和高溫條件下發(fā)生的塑性變形現(xiàn)象，其中溫度條件尤為關(guān)鍵，一般要求達(dá)到材料熔點(diǎn)的25%～35%，如一般碳鋼超過(guò)300℃合金鋼超過(guò)400℃才有蠕變行為。

綜上，壓力容器失效的表現(xiàn)形式多樣，且成因和影響范圍更有不同，對(duì)其的分析可為在用壓力容器的檢驗(yàn)提供可靠依據(jù)。

2 基于失效模式的在用壓力容器檢驗(yàn)

圖1所示為基于失效模式的在用壓力容器檢驗(yàn)方案框圖。

圖1 基于失效模式的在用壓力容器檢驗(yàn)方案框圖

結(jié)合圖1，基于失效模式的在用壓力容器檢驗(yàn)主要包括如下內(nèi)容。

2.1 資料審查

在資料審查中，其審查內(nèi)容包括：一是核查材質(zhì)，以判斷其與工作介質(zhì)、設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力等工藝流程要求及抗腐蝕、抗高低溫、韌性、強(qiáng)度等性能要求相符與否；二是核查介質(zhì)，即通過(guò)分析介質(zhì)分組與雜質(zhì)來(lái)判斷其發(fā)生應(yīng)力腐蝕的概率；三是結(jié)合壓力容器的操作溫度和載荷變化來(lái)判斷其發(fā)生低溫脆斷、蠕變和腐蝕疲勞的概率；四是審查壓力容器的操作條件變化、啟停及運(yùn)行記錄等，以判斷其是否存在超壓失穩(wěn)、化學(xué)爆炸和過(guò)量充裝等隱患。

2.2 宏觀檢驗(yàn)

宏觀檢驗(yàn)是一種肉眼觀察法，其中會(huì)用到內(nèi)窺鏡、放大鏡或燈光，包括先用木錘或250g重的銅錘來(lái)輕敲壓力容器器壁，再通過(guò)音響檢查、目視檢查來(lái)判斷壓力容器存在機(jī)械損傷、鼓包、變形、凹陷、腐蝕和裂紋等危害性缺陷與否。在實(shí)際應(yīng)用中，一般可先按溫度和介質(zhì)情況來(lái)重點(diǎn)檢查壓力容器的危害性缺陷，再據(jù)此確定壓力容器的重點(diǎn)檢驗(yàn)點(diǎn)，如容器底部及其封頭等易發(fā)生固體沉積或液體滯留等問(wèn)題；容器內(nèi)支承及脹接結(jié)構(gòu)等易在連接結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)縫隙死角；開孔、T型焊結(jié)構(gòu)及焊接交叉等易出現(xiàn)應(yīng)力集中；熱水塔底及熱交換器為壓力容器的液相、氣相交界處；容器內(nèi)局部過(guò)熱點(diǎn)的溫差變化較大；檢查不銹鋼襯及焊堆是否存有腐蝕產(chǎn)物等。

表1 金相分析的適用范圍

2.3 超聲波測(cè)厚

超聲波測(cè)厚是一種檢測(cè)壓力容器內(nèi)壁腐蝕的手段，其測(cè)量部位一般選在液位頻繁波動(dòng)處、機(jī)械損傷處、表面缺陷檢查可疑處及易受沖蝕、磨損、腐蝕的部位等。在這一檢測(cè)過(guò)程中，超聲測(cè)厚儀的使用需注意對(duì)待測(cè)工件溫度進(jìn)行控制及對(duì)材料聲速進(jìn)行修正。超聲波測(cè)厚一般應(yīng)與上一次測(cè)厚結(jié)果、原始壁厚進(jìn)行比較。

2.4 表面缺陷檢測(cè)

裂紋是壓力容器中危險(xiǎn)性最大的缺陷。但肉眼的靈敏度有限，因此在壓力容器表面檢測(cè)中，建議采用滲透檢測(cè)法和磁粉檢測(cè)法。其中，磁粉檢測(cè)法具有成本低、效率高和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，則在低合金鋼、碳鋼等鐵磁性材質(zhì)的表面和近表面缺陷檢測(cè)時(shí)，優(yōu)先選磁粉檢測(cè)法；在空間有限或有色金屬、不銹鋼等非鐵磁性材質(zhì)的表面開口缺陷檢測(cè)中，優(yōu)先選滲透檢測(cè)，注意所選滲透劑不得損壞壓力容器的本體材質(zhì)。此外，若無(wú)法在壓力容器內(nèi)壁開展表面檢測(cè)及其設(shè)有隔熱耐磨襯，且存在應(yīng)力腐蝕傾向，建議從外壁來(lái)檢測(cè)內(nèi)壁是否存在應(yīng)力腐蝕裂紋，其中會(huì)用到超聲波檢測(cè)法，注意對(duì)于低溫或存在應(yīng)力腐蝕傾向的壓力容器，建議選用濕熒光磁粉來(lái)檢測(cè)其內(nèi)壁。在壓力容器表面檢測(cè)中，除了對(duì)熱影響區(qū)和焊縫進(jìn)行檢測(cè)外，還應(yīng)對(duì)焊跡、焊疤和工卡具進(jìn)行檢測(cè)。

2.5 埋藏缺陷檢測(cè)

埋藏缺陷檢測(cè)的常用方法包括超聲檢測(cè)、射線檢測(cè)，但在實(shí)際應(yīng)用中，需注意以下幾個(gè)方面：一是優(yōu)選超聲波檢測(cè)法，因?yàn)槠湓诮档统杀尽⑻岣咝屎臀ｋU(xiǎn)缺陷檢測(cè)率上的作用更為明顯；二是在有色金屬、不銹鋼制壓力容器焊接接頭的無(wú)損檢測(cè)中，優(yōu)選射線檢測(cè)；三是對(duì)于高壓的厚壁壓力容器，一旦超聲波檢測(cè)出危險(xiǎn)性缺陷，則需更換不同K值的探頭及對(duì)其進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。

2.6 光譜與金相分析

光譜與金相分析的適用對(duì)象有所差異，其中光譜分析適用于合金鋼或材質(zhì)不明的壓力容器中，而金相分析的適用范圍如表1所示。

2.7 其他

在在用壓力容器檢測(cè)中，超聲檢測(cè)中相控陣技術(shù)、TOFD技術(shù)、導(dǎo)波技術(shù)、紅外、聲發(fā)射等也具有一定的應(yīng)用價(jià)值。其中，對(duì)裂紋類面狀缺陷檢測(cè)方面，TOFD技術(shù)具有較高的敏感度，且可將焊接接頭內(nèi)的缺陷以圖像形式進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，因此TOFD技術(shù)適用于大厚壁壓力容器中；聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)可測(cè)出壓力容器缺陷在受載荷條件下的活動(dòng)性，常用于定期檢驗(yàn)在用大型儲(chǔ)罐和球罐，即按缺陷活動(dòng)性信號(hào)來(lái)給出壓力容器的返修要求，從而縮短了停產(chǎn)檢驗(yàn)的時(shí)間。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在用壓力容器的失效模式包括磨損、腐蝕、斷裂、泄漏、失穩(wěn)和材質(zhì)惡化等，通過(guò)對(duì)這些失效模式進(jìn)行分析，可判定壓力容器存在的缺陷。為在用壓力容器的檢驗(yàn)提供可靠依據(jù)。但在在用壓力容器檢驗(yàn)中，需針對(duì)每一種缺陷的具體情況選擇最佳的檢驗(yàn)方法，具體如下：塑性斷裂、脆性斷裂、疲勞斷裂、腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕采用宏觀檢驗(yàn)、滲透檢測(cè)或磁粉檢測(cè)法；蠕變斷裂采用宏觀檢驗(yàn)和金相分析法，并在必要時(shí)采用光譜分析法，以判斷材質(zhì)的使用情況；沖蝕和失穩(wěn)等采用宏觀檢驗(yàn)法和超聲波測(cè)厚；晶界腐蝕和氫損傷采用宏觀檢驗(yàn)、滲透檢測(cè)或磁粉檢測(cè)和金相分析法；泄漏通過(guò)宏觀檢驗(yàn)來(lái)確定其氣密性。總之，基于失效模式的在用壓力容器檢驗(yàn)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，但其在保證壓力容器的使用安全上具有重要作用，因此應(yīng)重視對(duì)其的研究。

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