對壓力容器壓力管道檢驗中裂紋問題的探析

謝覲安 張城松

湖南省特種設(shè)備檢驗檢測研究院常德分院，湖南常德 415000

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

1 壓力容器壓力管道的檢驗內(nèi)容

1.1 分析工作環(huán)境

檢驗壓力管道時，首先了解壓力容器的采購時間、使用時間。以容器外壁檢驗為例，檢驗內(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)外溫差過大導致管壁出現(xiàn)裂紋。值得注意的是，檢驗過程中要控制輸水、放水、可支撐環(huán)境，創(chuàng)建一個安全的檢驗環(huán)境。如果容器接受過技術(shù)改造，還要檢驗溫控系統(tǒng)，確保處于合理的工作環(huán)境中。

1.2 核對技術(shù)資料

壓力管道檢驗期間，要對檢驗結(jié)果和技術(shù)資料進行核對，例如，最大承受壓力、剛度、薄弱點等。不論是內(nèi)部檢驗還是外部檢驗，如果檢驗結(jié)果和技術(shù)資料不同，就說明存在質(zhì)量問題，要對運行性質(zhì)進行檢測；壓力管道經(jīng)檢驗沒有裂紋缺陷，就要進行實時監(jiān)測，看壓力管道的剛度變化情況。值得注意的是，安全等級為1級或2級的壓力容器，檢驗周期是6年1次；安全等級為3級的壓力容器，檢驗周期是3～6年1次，要求管理人員定期檢驗，以排除安全隱患[1]。

1.3 開展水壓測試

壓力管道的檢驗，主要采用水壓測試法，如圖1所示。觀察水流在靜止狀態(tài)、流動狀態(tài)下的穩(wěn)定性，從而判斷壓力管道的密封性。水壓測試期間，技術(shù)要點如下：（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，就會出現(xiàn)滲水漏水等現(xiàn)象；（2）技術(shù)含量高，不僅測試工藝復雜，還要進行后期處理，避免影響容器的正常運行；（3）整個測試時間長，完成檢測后，測試人員和焊接人員要溝通交流，制定相應的修補措施，以保證容器正常運行。標準水壓試驗示意圖如圖1所示。

圖1 標準水壓試驗示意圖

2 壓力管道裂紋的類型和特征

2.1 疲勞裂紋

一是機械疲勞裂紋。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)展成為一條長裂紋，后期裂紋的寬度、長度快速增加。在微觀上，影響機械疲勞的因素，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，還會受到傳遞振動應力的影響，隨著時間延長最終出現(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，管壁上可見溝槽、通道、腐蝕坑等[2]。在微觀上，腐蝕疲勞是腐蝕介質(zhì)、應力共同作用的結(jié)果，裂紋處可見明顯的腐蝕破壞特征，從內(nèi)壁形成長度、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，在低于拉伸強度條件下，受到熱交變應力的反復作用，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力最大的部位。其中一條是主裂紋，其余裂紋在應力松弛的影響下，不會擴展或擴展速度減慢。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，主裂紋會軸向擴展，若壓應力過大裂紋還會向四周擴展。

2.2 蠕變裂紋

蠕變裂紋是在溫度、應力作用下，導致管道材料分離，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，和最大應力方向垂直，呈現(xiàn)軸向分布。裂紋曲折發(fā)展，會形成較寬的裂紋帶，主裂紋兩側(cè)有多個平行分布的小裂紋。在壓力管道中，蠕變裂紋集中在高應力應變區(qū)，例如，高溫構(gòu)件、過熱脹粗管、熱影響區(qū)等。在微觀上，蠕變裂紋可見橢圓形孔洞，且裂紋沿晶擴展。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 應力腐蝕裂紋

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

3 針對壓力管道裂紋的防治措施

3.1 加強原料零件檢驗

對原料進行檢驗，能從源頭上保證壓力管道質(zhì)量，降低裂紋發(fā)生率，提高壓力容器運行的安全性。具體來說，應該制定科學合理的原料采購計劃，做好市場調(diào)查工作，了解原料的性能、規(guī)格、價格等要素，選擇有實力、有資質(zhì)的供貨商，提高原料的性價比。其次在零件加工時，應該嚴格控制技術(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)商自我檢測以外，還應該邀請第三方檢測機構(gòu)，防止廠商作弊，及時發(fā)現(xiàn)不合理、不規(guī)范等問題。針對存在的問題，要求廠商及時整改，直至滿足規(guī)范技術(shù)要求，降低壓力管道裂紋的發(fā)生風險。

3.2 控制容器壓力限值

針對壓力管道裂紋的防治工作，應該貫穿在生產(chǎn)、施工、維修全過程，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)測壓力容器的實時運行狀態(tài)，分析溫度、壓力、流速等參數(shù)的變化，針對異常數(shù)據(jù)進行調(diào)整，避免系統(tǒng)出現(xiàn)故障。另一方面，針對壓力容器的薄弱部位，應該采取加固防裂措施，例如，外壓加強圈；對于焊接部位，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 落實維護保養(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，延長使用壽命，避免出現(xiàn)裂紋。對此，要制定科學的運行方案，合理安排使用時間、維修時間、停運時間，對環(huán)境溫度、濕度、壓力等因素進行控制，改善壓力容器的運行環(huán)境[5]。還要加強維護保養(yǎng)，委派專人定期巡檢、檢測，制定大修計劃，及時發(fā)現(xiàn)管道存在的問題，消除故障隱患，避免因裂紋造成嚴重的損害。

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行質(zhì)量，是導致壓力管道出現(xiàn)裂紋的原因之一。對此，應該從人員本身出發(fā)，提高專業(yè)技能水平，具體措施如下：第一，改進人才聘任模式，適當提高人才準入門檻，將學歷、技能、經(jīng)驗、素養(yǎng)等要素作為錄取標準，只有滿足標準才能進入崗位。第二，企業(yè)要重視員工的培訓學習，定期組織員工開展座談會、專家講座，學習先進的知識和技術(shù)，創(chuàng)新工作管理模式，提高容器運行的安全性、可靠性。第三，落實質(zhì)量負責制，制定合適的獎懲激勵措施，將工作質(zhì)量和薪酬待遇、職位晉升相掛鉤，激發(fā)人員的主觀能動性。

4 結(jié)語

壓力容器是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的重要設(shè)備，對壓力管道進行檢驗時，要分析工作環(huán)境、核對技術(shù)資料、開展水壓測試。分析可知，管道裂紋類型，主要有疲勞裂紋、蠕變裂紋、應力腐蝕裂紋、過熱過燒裂紋等。對于企業(yè)而言，應該加強原料零件檢驗，控制容器壓力限值，落實維護保養(yǎng)工作，并提高人員技能水平，促使壓力容器安全穩(wěn)定運行。