在用壓力容器檢驗中的裂紋問題研究

顧文喜

（甘肅省特種設(shè)備檢驗檢測研究院，甘肅蘭州 730050）

在用壓力容器介質(zhì)多為易燃、易爆、有腐蝕性的氣體或液體，實際運行過程中，在主體結(jié)構(gòu)的“幾何不連續(xù)”、“組織不連續(xù)”、“應力不連續(xù)”等部位，易出現(xiàn)表面裂紋和埋藏裂紋，裂紋擴展貫穿后，引發(fā)泄漏、火災、爆炸等事故，使國家資產(chǎn)和員工生命安全受到嚴重威脅。

1 壓力容器裂紋種類

1.1 疲勞裂紋

1.1.1 機械疲勞裂紋

即發(fā)生在容器受壓元件焊縫以及受壓元件與非受壓元件焊接部位，呈直線狀。在疲勞裂紋初期，裂紋較短，后在高壓環(huán)境影響下逐漸變長，寬度擴大，長度增長速度加快。通過對壓力容器實際工作環(huán)境的分析，疲勞裂紋多與組織結(jié)構(gòu)、受力條件、環(huán)境介質(zhì)等因素有關(guān)，呈現(xiàn)出裂紋兩端平整、光滑、深度較淺等特征。

1.1.2 腐蝕性疲勞裂紋

由于壓力容器長期處于高壓、腐蝕環(huán)境下，與腐蝕介質(zhì)長期接觸的結(jié)構(gòu)極易出現(xiàn)腐蝕性疲勞裂縫。與其他疲勞裂紋相比，腐蝕性疲勞裂紋多呈穿晶型特征，裂紋數(shù)量較多，分布在腐蝕坑等部位。腐蝕性裂紋主要受到腐蝕介質(zhì)的影響，在環(huán)境與壓力的共同作用下，使得裂紋長度與深度均不一致。

1.1.3 熱疲勞裂紋

壓力容器多由金屬材料制成，在較低拉伸強度條件下，受到熱交變應力的作用十分顯著，導致壓力容器結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋群體。經(jīng)過實際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，壓力容器的熱疲勞裂紋多出現(xiàn)在蒸汽壓力容器等較高溫度的結(jié)構(gòu)上，分布于結(jié)構(gòu)表面熱應力最大之處。熱疲勞裂紋呈不規(guī)則性特征，具有間斷性，甚至在一定條件下出現(xiàn)裂紋分支或二次裂紋的情況，導致壓力容器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與密封性受到嚴重影響。

1.2 蠕變裂紋

蠕變裂紋主要就是壓力容器在高溫與應力的共同作用下，內(nèi)部材料出現(xiàn)蠕變損傷，最終在表面形成裂紋，蠕變裂紋的走向與最大應力方向垂直，主裂紋兩側(cè)存在平行分布的小裂紋。在壓力容器實際運行過程中，蠕變裂紋多分布在應力較高的應變區(qū)，如高溫構(gòu)件、熱影響區(qū)域等。蠕變裂紋也會呈現(xiàn)出橢圓形孔洞的情況，沿裂紋向晶體擴展。在壓力容器焊縫部位，蠕變裂紋多由外向內(nèi)發(fā)展，并且與焊縫相互平行。

1.3 應力腐蝕裂紋

應力腐蝕裂紋主要是金屬材料在拉應力與特定腐蝕介質(zhì)的共同作用下引起的開裂，此應力可以是外加應力，也可以是金屬內(nèi)部的殘余應力，經(jīng)常發(fā)生在壓力容器焊接接頭和接管、凸緣等結(jié)構(gòu)突變的應力集中部位。應力腐蝕開裂通常有一個或長或短的孕育期，裂紋呈古樹枝狀（開叉），大體上沿著垂直于拉應力的方向發(fā)展。裂紋的微觀形態(tài)有穿晶型、沿晶型和二者兼有的混合型。

2 壓力容器裂紋出現(xiàn)原因

壓力容器實際運行過程中，裂紋的種類與其受到的影響密切關(guān)聯(lián)。主要出現(xiàn)在“幾何不連續(xù)”、“組織不連續(xù)”、“應力不連續(xù)”等三個不連續(xù)的部位。對于腐蝕性裂紋而言，裂紋主要是受到腐蝕介質(zhì)的影響，因此多出現(xiàn)在與腐蝕性材料長期接觸的部件。疲勞性裂紋的分布位置狹窄，由于壓力容器運行時間較長，在交變載荷的作用下，裂紋長期擴展，最終造成開裂。不僅如此，壓力容器運行環(huán)境較為復雜，在冷熱交替的情況下，也會導致容器表面出現(xiàn)裂紋，使壓力容器密封性下降，在加壓的情況下發(fā)生事故。

在用壓力容器返修過程中，焊縫金屬從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變過程中的裂紋為熱裂紋，多生在焊縫中心部位，因焊接熔池內(nèi)存在熔點較低的雜質(zhì)，凝固時間最晚，自身強度與塑性較低，容器外部結(jié)構(gòu)在凝固收縮的作用下，這些低熔點雜質(zhì)被拉開，致使容器表面焊縫處出現(xiàn)裂縫。

3 壓力容器裂紋預防對策

3.1 做好原材料檢驗工作

為從根本上控制壓力容器裂紋問題發(fā)生幾率，相關(guān)部門做好前期預防工作，檢測原料及零件的性能，切實提升壓力容器對各類運行環(huán)境的適應性及耐久性。

做好原料質(zhì)量檢驗工作，從源頭處把控壓力容器質(zhì)量。針對壓力容器實際生產(chǎn)要求，制定出更加科學合理的原料與零部件采購計劃。對原材料市場進行細致調(diào)查，深入分析實際生產(chǎn)活動對壓力容器的性能、規(guī)格、成本等因素提出的要求，選擇出具有較高信譽度及資質(zhì)的供貨商，從根本上提升原料的性價比。

在壓力容器零件加工區(qū)間，應選擇更加適宜的加工技術(shù)，嚴格管控加工作業(yè)流程，確保加工環(huán)節(jié)更加規(guī)范化、標準化。為確保壓力容器在后期運行過程中能夠更好抵御環(huán)境帶來的影響，企業(yè)還可聘請專業(yè)第三方檢測機構(gòu)，對材料、零部件的各項性能進行細致檢測，零部件存在的質(zhì)量問題、性能問題，要求廠商進行及時整改，在材料與零部件能夠滿足相應規(guī)范技術(shù)要求后，方可以引至安裝現(xiàn)場。

3.2 注重控制壓力容器的壓力限值

在壓力容器的裂紋防治期間，需將防治工作的目標貫徹落實于安裝、生產(chǎn)及運維等環(huán)節(jié)中，及時分析壓力容器在不同環(huán)境內(nèi)存在的裂紋隱患，將壓力容器的壓力限制控制在規(guī)定范圍之內(nèi)。積極引進先進的可編程邏輯控制系統(tǒng)，對壓力容器的運行情況進行全面檢測，及時發(fā)現(xiàn)壓力容器在溫度、壓力等參數(shù)影響下發(fā)生的變化，預測可能會出現(xiàn)裂紋的部位，對該部位進行及時維護。注重對壓力容器薄弱部位的管理，制定出更加科學的加固與防裂紋措施，針對壓力容器焊接部位選擇更加適宜的焊接形式，注重控制焊縫的大小與走向，切實提升壓力容器的密封性。

3.3 健全壓力容器維護保養(yǎng)機制

因壓力容器具有明確的使用條件與使用要求，因此為降低裂紋發(fā)生的幾率，相關(guān)管理部門需建立健全壓力容器維護保養(yǎng)機制，采用更加科學的壓力容器運維方式，對壓力容器使用時間，維護時間及停運時間進行合理安排，改善壓力容器的運行環(huán)境。明確壓力容器運行期間的各項職責，委派有相應資質(zhì)的檢驗機構(gòu)對壓力容器的實際運行情況進行定期檢驗，及時發(fā)現(xiàn)裂紋隱患，必要時進行安全評定，并就此制定出相關(guān)維護機制。

3.4 做好維護人員專業(yè)培訓工作

對企業(yè)人才選拔機制進行不斷完善，要求維護人員具備較高的專業(yè)水平及職業(yè)素養(yǎng)，將經(jīng)驗以及技能考核情況等作為人員薪資分配標準，從根本上提升維護人員入職門檻。做好維護人員培訓工作，針對壓力容器裂紋維護等問題組織專家講座活動，從根本上提升維護人員的理論知識與實踐技能。

4 結(jié)束語

總而言之，壓力容器是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的重要設(shè)備，其運行的安全性可直接影響到生產(chǎn)質(zhì)量與效率。為避免裂紋問題對壓力容器正常運行帶來的危害，使用單位和檢驗機構(gòu)應及時對在用壓力容器進行全面檢驗，結(jié)合壓力容器的運行環(huán)境、主要技術(shù)資料等開展水壓測試，制定出相應的維修整改方案。