在用壓力容器檢驗中的裂紋問題研究

顧文喜

（甘肅省特種設備檢驗檢測研究院，甘肅蘭州 730050）

在用壓力容器介質多為易燃、易爆、有腐蝕性的氣體或液體，實際運行過程中，在主體結構的“幾何不連續”、“組織不連續”、“應力不連續”等部位，易出現表面裂紋和埋藏裂紋，裂紋擴展貫穿后，引發泄漏、火災、爆炸等事故，使國家資產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境的分析，疲勞裂紋多與組織結構、受力條件、環境介質等因素有關，呈現出裂紋兩端平整、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、腐蝕環境下，與腐蝕介質長期接觸的結構極易出現腐蝕性疲勞裂縫。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的影響，在環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，導致壓力容器結構出現裂紋群體。經過實際調查發現，壓力容器的熱疲勞裂紋多出現在蒸汽壓力容器等較高溫度的結構上，分布于結構表面熱應力最大之處。熱疲勞裂紋呈不規則性特征，具有間斷性，甚至在一定條件下出現裂紋分支或二次裂紋的情況，導致壓力容器結構穩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，內部材料出現蠕變損傷，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，如高溫構件、熱影響區域等。蠕變裂紋也會呈現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發展，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，也可以是金屬內部的殘余應力，經常發生在壓力容器焊接接頭和接管、凸緣等結構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展。裂紋的微觀形態有穿晶型、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聯。主要出現在“幾何不連續”、“組織不連續”、“應力不連續”等三個不連續的部位。對于腐蝕性裂紋而言，裂紋主要是受到腐蝕介質的影響，因此多出現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，壓力容器運行環境較為復雜，在冷熱交替的情況下，也會導致容器表面出現裂紋，使壓力容器密封性下降，在加壓的情況下發生事故。

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

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生幾率，相關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境的適應性及耐久性。

做好原料質量檢驗工作，從源頭處把控壓力容器質量。針對壓力容器實際生產要求，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查，深入分析實際生產活動對壓力容器的性能、規格、成本等因素提出的要求，選擇出具有較高信譽度及資質的供貨商，從根本上提升原料的性價比。

在壓力容器零件加工區間，應選擇更加適宜的加工技術，嚴格管控加工作業流程，確保加工環節更加規范化、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境帶來的影響，企業還可聘請專業第三方檢測機構，對材料、零部件的各項性能進行細致檢測，零部件存在的質量問題、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范技術要求后，方可以引至安裝現場。

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、生產及運維等環節中，及時分析壓力容器在不同環境內存在的裂紋隱患，將壓力容器的壓力限制控制在規定范圍之內。積極引進先進的可編程邏輯控制系統，對壓力容器的運行情況進行全面檢測，及時發現壓力容器在溫度、壓力等參數影響下發生的變化，預測可能會出現裂紋的部位，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，因此為降低裂紋發生的幾率，相關管理部門需建立健全壓力容器維護保養機制，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境。明確壓力容器運行期間的各項職責，委派有相應資質的檢驗機構對壓力容器的實際運行情況進行定期檢驗，及時發現裂紋隱患，必要時進行安全評定，并就此制定出相關維護機制。

3.4 做好維護人員專業培訓工作

對企業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水平及職業素養，將經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 結束語

總而言之，壓力容器是工業生產領域的重要設備，其運行的安全性可直接影響到生產質量與效率。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應及時對在用壓力容器進行全面檢驗，結合壓力容器的運行環境、主要技術資料等開展水壓測試，制定出相應的維修整改方案。