淺談鍋爐壓力容器壓力管道檢驗的裂紋問題

張麗亞 承紅（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院常州分院，江蘇常州213000）

0 引言

鍋爐壓力容器壓力管道是承受壓力的密閉容器，在工業實際環境下，鍋爐壓力容器壓力管道的運行通常是處于非常復雜的內外部環境之中，許多不利因素導致容器管道產生裂紋，在壓力作用下這些裂紋容易引起容器的韌性破裂、疲勞、腐蝕、蠕變等缺陷，在極大程度上威脅著系統的安全穩定運行，必須嚴加防范。

1 裂紋的分類

在壓力容器壓力管道的諸多缺陷中，裂紋通常是混合存在的，并不局限于單一的形式而存在，由于壓力容器在生產工藝過程中所發揮的作用不同，例如有些壓力容器中發生的是化學反應，有些是發生換熱反應，有些是發生物理分離等，不一樣用途的鍋爐壓力容器，所形成的裂紋也不一樣。通常，根據壓力容器和壓力管道產生裂紋的原因進行分析，大部分裂紋問題可以歸結為以下幾種：

（1）焊接裂紋；

（2）腐蝕裂紋；

（3）疲勞裂紋；

（4）蠕變裂紋；

1.1 焊接裂紋

焊接裂紋主要產生于的容器和管道最初的制造加工過程中，現代加工工藝通常是用特殊的金屬板卷材軋制、焊接、冷卻等加工程序形成，在焊接應力和其他致脆因素作用下，焊接時由于焊接環境中多種因素的影響，某些部位的金屬原子在相互結合時結構遭到損傷，致使接合面出現細小的裂縫，逐步擴大延展演變為焊接裂紋。焊接加工過程中每道程序都需要對溫度進行嚴格控制，溫度過高或者溫度過低都會使金屬表面產生裂紋，當焊接的溫度過高超過金屬自身的臨界溫度時，金屬晶體過氧化，容易產生過熱裂紋。在另一個焊接階段冷卻過程中，處理不當也會引起金屬裂紋，這是由于焊縫在不同溶解度過飽和氫擴散聚集導致顯微氫裂痕，進而會產生冷裂紋。某些壓力容器的冷裂紋不容易通過常規的檢驗手段所發現，在長時間的使用過程中會逐步暴露出來。這些隱藏的裂紋雖然在很長時間不會表現出來，但同樣給鍋爐壓力容器和壓力管道的安全運行帶來巨大安全隱患。

針對焊接造成的鍋爐壓力容器裂紋問題，一部分能夠從工件的表面肉眼觀察發現缺陷。還有一部分需要借助微觀金相顯微鏡或透射電子顯微鏡觀察才能夠發現。集中類型的焊接裂紋如圖1所示：

圖1 焊接裂紋（宏觀裂紋、微觀裂紋、超顯微裂紋）

1.2 腐蝕裂紋

鍋爐的腐蝕裂紋往往是在容器受壓狀態下，由于堿性作用因素侵蝕和拉應力的作用下導致產生苛性脆化。由于容器內的介質具有較大的腐蝕性，在容器內部防腐蝕層破壞以及內外壓力作用下，就容易產生腐蝕性裂紋。腐蝕裂紋大多數集中在容器容易接觸到腐蝕性介質的特定部位，。在構件金屬原子接觸到腐蝕性物質后，金屬微觀組織發生不可逆變化。通常這些變化是緩慢而微小的，只有在通過顯微鏡觀察某一時間段前后的微觀鏡像后才能夠發現，其特點是在第一道腐蝕裂紋產生后，沿著金屬晶體的邊界會逐步產生第二道、第三道次生裂紋，最終形成以主裂紋為主干，次生裂紋為枝干的樹狀結構。

1.3 疲勞裂紋

對于金屬材質的器件而言，金屬疲勞是不可避免地一個話題，由于使用需要，鍋爐容器和壓力管道往往需要承受不均勻變化的應力作用，這就造成容器和管道檢驗時常見的疲勞裂紋。抗疲勞強度較高的金屬材料不容易產生疲勞裂紋，但對于常規的金屬材質而言，金屬疲勞是難以避免的。疲勞裂紋一方面與容器和管道的材質有很大關系，另一方面和介質流動速度、介質容量的變化頻率以及介質重量等均有一定關系，在應力變化等多種因素的共同作用下，疲勞裂紋的變化往往是從表面到內部，從細微的直線到散射狀的曲線，從材料自身缺陷部位到材料非缺陷區，逐步擴展，最終形成嚴重的缺陷。值得注意的是，在疲勞裂紋的基礎上，腐蝕性介質和應力相互作用下，裂紋的發展速度會加快，此時形成的穿晶裂紋，在疲勞裂紋的影響下，容器和管道的抗拉伸能力減小，在震動極易引發爆裂等危害。

1.4 蠕變裂紋

蠕變裂紋多發生在壓力管道的應力集中位置和溫度過熱區域，由于溫度冷熱變化以及應力的改變，材料組織會在損傷區域形成大小不同的穿孔，這些穿孔多數呈現無規則的排列，并隨著時間的推移逐步擴大形成一個裂紋帶。金屬組織相互分離，容器和管道設備出現形變。蠕變裂紋給設備的安全運行帶來了極大的隱患，需要在日常檢驗時嚴格防范。通常，蠕變裂紋的檢驗可以重點集中在幾個重點區域，例如管道折彎處、容器接頭焊接處、介質出入口處，這些區域在應力變化和溫度變化方面承受較大的變化，是蠕變裂紋的高發區。

2 針對裂紋的解決方法

裂紋的出現伴隨著鍋爐壓力容器和管道的全生命周期，具有較長的時間跨度和較廣的檢驗范圍，防范裂紋災害應重點放在預防工作上。通過定期檢驗，及時發現鍋爐安全隱患，不僅能夠減少裂紋災害給生產生活帶來的生命財產損失，而且能夠切實提高設備使用壽命和安全系數。概括來說，主要從以下幾方面著手：

2.1 對鍋爐壓力容器壓力管道檢驗的各個環節嚴加管理

首先，要明確各種裂紋缺陷所產生的根本原因，從源頭進行防控。從制造鍋爐壓力容器和管道，以及相關附屬設備的材料檢驗開始。圍繞材料性能，對其不斷改進。在鍋爐壓力容器的制造過程中，嚴格按照生產檢驗標準，有效控制各個環節的半成品質量，將過程中造成裂紋的因素減到最低，通過多重檢驗機制，及時淘汰不良品。其次，科學檢測鍋爐壓力容器壓力管道運行的狀態，確保工作人員按照生產標準進行操作，防止在生產過程中出現失誤。要對鍋爐使用過程進行規范的監督管理，此過程重要的是提高檢測人員的技術操作水平，并發揮現代檢測技術手段的優勢及時排查出裂紋缺陷。

2.2 加強對鍋爐壓力容器壓力管道的檢驗力度

壓力容器壓力管道的檢驗工作是及時發現鍋爐壓力容器安全隱患的重要方法，作為特種設備，其檢驗工作必須遵照相應的流程和規范。首先，鍋爐設備在建成后要按照標準流程進行驗收，在投入使用之前要進行二次檢查，另外，在日常使用過程中，要形成規范的周期檢查制度，并在每次檢查時做好詳細的記錄，這樣有助于技術人員及時準確地追蹤鍋爐壓力容器系統變化特性，進而有助于從根本上防患于未然，減少裂紋造成的安全隱患。對于服役時間較長的鍋爐設備，要重點增加檢驗頻率，細化檢驗內容，擴大檢驗范圍。此外，要建立健全相關檢驗制度，對檢驗工作者的行為進行規范。

2.3 提高檢驗效率

多種檢驗手段并舉，具體情況具體分析，提高檢驗效率。在保障安全生產的基礎上，利用好傳統常規檢測的同時，要積極引入先進的檢測技術，根據設備的具體情況選擇合適的檢測方法，綜合運用射線檢測、超聲波檢測、磁粉探傷、滲透檢測等多種手段來提高壓力容器裂縫的檢測效率，及時定位缺陷部位。

3 結語

鍋爐壓力容器壓力管道產生裂紋受外部和內部因素共同影響，在鍋爐壓力容器壓力管理檢驗工作中必須做好對設備中出現的裂紋問題加以重視和管理，在鍋爐壓力容器壓力管道的裂紋問題的檢驗中，應根據裂紋特征，及時采取科學而合理的有效應對措施，解決好裂紋問題，提高鍋爐運行的安全水平。