鍋爐壓力管道裂紋檢驗分析

張英豪　張云忠　楊楠

摘要裂紋是鍋爐壓力管道最為危險的缺陷之一，極容易造成鍋爐安全事故，必須及時發現鍋爐壓力管道裂紋缺陷，確保鍋爐安全性能水平。本文就鍋爐壓力管道裂紋檢驗進行了淺要的分析，指明了檢驗方向與常用的檢驗方法。

關鍵詞 壓力管道；鍋爐檢驗；裂紋檢驗

引言

根據《特種設備安全監察條例》：涉及生命安全、危險性較大的鍋爐、壓力容器、壓力管道等均屬于特種設備，必須嚴格執行國家有關法律法規進行檢驗，以確保其安全。鍋爐壓力管道用于輸送氣體或游體，為管狀設備，其最高工作壓力大于或等于0.1MPa，內部往往為可燃、易爆、有腐蝕性、高溫的氣體、液體介質。如果壓力管道存在裂紋缺陷，極有可能發生爆炸等危險，引起各種安全事故。在鍋爐壓力管道檢驗中，對其進行裂紋缺陷預測評估十分重要。下面，本文在分析鍋爐壓力管道的成因和擴展機理的基礎上，就鍋爐壓力管道的檢測方法進行淺要的探討。

1.鍋爐壓力管道裂紋產生機理

1.1 機械疲勞

機械疲勞造成鍋爐壓力管道裂紋，多發生于火電廠等鍋爐壓力管道上，這類鍋爐需要將熱能轉化為機械能再轉化為電能。機械疲勞裂紋多產生于應變集中處，最初往往產生于壓力管道表面。在裂紋產生初期，通常與拉伸應力軸呈45度并滑移擴展，隨之裂紋向拉伸應力軸呈90度發展。通常情況下，機械裂紋為直線狀，初始階段較小，漸漸向內擴展并呈現出多疲勞源特征，隨著裂紋擴展逐部連接成為一條長的裂紋，最后裂紋擴展不斷加速伴隨出現切向裂紋。機械裂紋的產生與擴展主要受材料結構、組織狀態、受力條件等因素的影響，通常無顯著塑性形變，與應力呈垂直角度。

1.2 應力腐蝕

鍋爐壓力管道在使用過程中，受應力與腐蝕介質的工作同作用也會產生裂紋，這類裂紋簡稱應力腐蝕裂紋。應力腐蝕裂紋多見于汽水管道區域，與材料介質也有很大關系。如奧氏體不銹鋼，即是一種極容易受應力腐蝕影響形成裂紋的材料，應用于汽水介質工況下，很小的應力都可能引起管道產生裂紋，如振動、微變形等。應力腐蝕裂紋通常與張應力軸呈垂直角度，形狀呈樹枝狀。例如，在火電廠鍋爐壓力管道中，應力腐蝕裂紋就極為常見，多出現在彎曲管道的內壁，并具備由管道表面向內擴展的特性，多處裂紋源有不連續發展的特征。

1.3 蠕變破壞

在鍋爐壓力管道使用中，由于長期在溫度與應力的作用下，管道長期伴隨著變形與材料組織損傷，最終在持續影響下產生材料分離造成裂紋。蠕變裂紋多垂直于最大應力方向，在彎道部位發生較多，呈曲折發展趨勢形成裂紋帶。例如，在管道的高應力應變區部位，在高溫蒸汽通過彎道時，長期受溫度與應力的作用，極容易出現蠕變裂紋。蠕變裂紋內部往往存在大量米粒狀或橢圓形孔洞，孔沿無規則連接，擴展沿晶發展由外表面向內延伸。

1.4 熱疲勞作用

在鍋爐壓力管道工作過程中，長期受熱交變應力的反復作用，雖然熱交變應力低于材料的拉伸強度極限，但這種反復作用也會造成裂紋的緩慢產生和擴展，最終造成熱疲勞破斷。如在火力發電廠鍋爐壓力管道中，噴水減溫器、蒸汽管道、疏水管道、排汽管道等，都極容易受熱疲勞作用而產生裂紋。熱疲勞作用所產生的裂紋，通常最初發生于管道表面，在應變集中的缺口以及不連續部位等，極容易造成熱疲勞裂紋的發生，其形狀往往為多條但存在一條主裂紋，其這裂紋因主裂紋而擴展較為緩慢。

2.鍋爐壓力管道裂紋檢驗

2.1 常規檢驗方法優缺點

目前，在鍋爐壓力管道裂紋檢驗中，常用的有射線檢測法、超聲波檢測法、磁粉檢測法、滲透檢測法等方法，這些方法結果直觀、技術成熟、檢測簡單方便。不過由于壓力管道的特點，利用超聲波檢測或射線檢測技術，對管道內部的裂紋檢測盲目性較大，容易受工作人員工作狀態、技術水平、責任心等方面的影響，以及管道直徑、壁厚等的影響，而影響檢測結果的準確度和可靠性，容易出現漏檢等現象。磁粉檢測雖然較為全面，但受限于材料方面的影響，只限鐵磁性材料的鍋爐壓力管道裂紋檢驗分析中有用，滲透檢測則只限于開口型缺陷的檢驗。鍋爐壓力管道跨越空間較大，邊界條件復雜，裂紋種類較多，材料選用種類多樣，長細比較大，完全依靠常規檢測技術將造成很多不定性。

2.2 利用超聲導波檢測

對于大型鍋爐壓力管道，如火電廠鍋爐壓力管道，可以利用管道超聲導波聚焦檢測的方法進行。管道超聲導波聚焦檢測方法目前主要用于油、氣管道以及石化裝置管道的裂紋檢驗中，但這類方法應用于大型鍋爐壓力管道裂紋檢驗中同樣有極高的適用價值。應用超聲導波聚焦檢測方法，通過固定在管道周圍的探頭模塊，在管道環向以均勻的間隔排列，沿管道壁利用聲波模式發射低頻超聲波，當管道壁厚發生變化時無論是增加還是減少，都會有一定比例的能量反射回探頭，從而檢測管道是否存在不連續性，根據管道壁厚的變化來確定是否存在裂紋以及裂紋位置。根據探頭模塊的設置，這一檢測方法能全面覆蓋管道壁，與傳統的超聲波檢測只能針對一個測試點進行單點檢測相比，有極高的應用價值。

2.3 紅外熱成像檢測

紅外熱成像檢測利用紅外熱成像儀，檢測鍋爐壓力管道的紅外輻射能量，并轉變為相應的電信號轉換為管道的溫度值，根據各部分表面溫度形成輻射紅外能量分布圖像，從而判斷管道是否存在裂紋以及裂紋擴展趨勢。紅外熱成像檢測能直觀的對管道的材料、結構完整連志性以及是否存在不連續缺陷進行檢測，靈敏度高、精確度高，能快速及時的發展裂紋和預測裂紋，適用于各種溫度的壓力管道檢測，且不受時間與環境溫度的限制。不過運用這一方法，對材料的導熱率、幾何尺寸要求比較高，材料導熱率越低檢測靈敏度越高，缺陷面積越大檢測靈敏度越高。在應用中，可應用于大型鍋爐壓力管道各部位機械疲勞、應力腐蝕、蠕變破壞、熱疲勞作用等所造成的裂紋的檢測與預測之中，有較高的應用價值。

3.結束語

對于鍋爐壓力管道裂紋，常規的檢測方法已經較為成熟，但由于鍋爐壓力管道裂紋產生機理與發展特點，常規檢測方法容易產生一些檢測盲區，極容易因為這些檢測盲區而造成安全事故。在鍋爐壓力管道裂紋檢驗中，應當充分考慮到常規檢測方法存在的不足，尋求新的方法來彌補這些缺陷，使鍋爐壓力管道裂紋檢測更為準確、可靠。

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