化工壓力容器壓力管道檢驗中的裂紋問題分析

高萬梁 李朋 王正榮

摘 要：論文重點分析了壓力容器壓力管道常見的裂紋類型及特征，并針對于常見裂紋類型探討了預(yù)防裂紋產(chǎn)生和裂紋發(fā)展的對策建議。

關(guān)鍵詞：化工;壓力容器;壓力管道檢驗;裂紋

壓力容器壓力管道的裂紋分析是開展管道失效分析的基礎(chǔ)，借由裂紋的分析可進(jìn)一步探究裂紋位置，裂紋擴(kuò)展方向，開裂的原因，受力情況等。進(jìn)行化工壓力容器壓力管道檢驗的裂紋問題研究，重點在于發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵零部件的缺陷，預(yù)測其安全性能指標(biāo)。

1 化工壓力容器壓力管道檢驗分析

化工企業(yè)在日常生產(chǎn)過程中應(yīng)加強(qiáng)壓力容器壓力管道的內(nèi)外部環(huán)境檢查工作，現(xiàn)場監(jiān)測人員應(yīng)根據(jù)壓力容器運(yùn)行過程中的條件變化，分析存在的潛在風(fēng)險，并對應(yīng)力應(yīng)變集中區(qū)域進(jìn)行深入細(xì)致的核查，確保內(nèi)外部無明顯缺陷。在對化工壓力容器壓力管道檢查時，通常需要暫停壓力容器的運(yùn)行，盡可能采用無損檢測手段，全面檢查壓力容器的內(nèi)外部環(huán)境，一旦發(fā)現(xiàn)裂紋或者潛在的裂紋風(fēng)險，需針對性的制定檢修方案，保證其安全使用。

2 壓力管道檢驗中的裂紋問題

裂紋分類的方法目前尚不統(tǒng)一。按裂紋形成的先后可分為主裂紋與二次裂紋;按裂紋的途徑可分為沿晶裂紋與穿晶裂紋;按裂紋區(qū)塑性變形的大小可分為脆性裂紋與塑性裂紋。習(xí)慣上按裂紋萌生與擴(kuò)展的機(jī)理分類。

2.1 機(jī)械疲勞導(dǎo)致的裂紋

由機(jī)械疲勞導(dǎo)致的裂紋多發(fā)生在葉輪、葉片和轉(zhuǎn)動機(jī)械上，疲勞裂紋通常出現(xiàn)在應(yīng)變較為集中的區(qū)域。分析機(jī)械疲勞裂紋的宏觀特征可知，機(jī)械疲勞裂紋初始階段與拉伸應(yīng)力最為相關(guān)，隨著裂紋產(chǎn)生，其與拉伸應(yīng)力的夾角從45°逐漸延展到90°。通常情況下，疲勞裂紋呈直線分布，并以隧道式的方式向設(shè)備內(nèi)部擴(kuò)展。在疲勞裂紋形成的后期呈現(xiàn)明顯的加速態(tài)勢，部分情況下伴生一定的切向裂紋。分析疲勞裂紋的微觀特征，裂紋與環(huán)境因素，受力條件等相關(guān)，微觀形態(tài)較為復(fù)雜。通常情況下，疲勞裂紋區(qū)域無明顯的塑形變形，通常是穿晶形態(tài)，長時間存在的疲勞裂紋，可觀察到明顯得二次裂紋。

2.2 應(yīng)力腐蝕裂紋

應(yīng)力腐蝕裂紋系指構(gòu)件在應(yīng)力及腐蝕介質(zhì)共同作用下形成的開裂。汽水管道、集箱管座是常見的應(yīng)力腐蝕裂紋萌生的區(qū)域。奧氏體不銹鋼是極易形成應(yīng)力腐蝕的材料，在汽水介質(zhì)土作條件下只要很小的應(yīng)力就可引起應(yīng)力腐蝕開裂，冷加土變形、振動、殘余應(yīng)力都可成為開裂的應(yīng)力源。應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致的裂紋通常與張應(yīng)力垂直，在微觀形態(tài)上可觀察之字型分支，混晶、穿晶和沿晶形態(tài)均有分布，呈現(xiàn)出不連續(xù)性。

2.3 蠕變裂紋分析

蠕變裂紋指的是長時間應(yīng)力應(yīng)變條件下，產(chǎn)生的物料分離的一種現(xiàn)象，事實上是在應(yīng)力和溫度共同作用下，機(jī)械組織內(nèi)部產(chǎn)生的損傷。宏觀特征：蠕變裂紋的走向垂直于最大應(yīng)力方向，在彎管上裂紋沿軸向分布。裂紋呈曲折發(fā)展，形成一個較寬的裂紋帶，在帶內(nèi)主紋居中，主裂紋兩側(cè)有大量平行分布的裂紋。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，蠕變裂紋主要在高應(yīng)力應(yīng)變區(qū)域，或者是高溫區(qū)域產(chǎn)生。進(jìn)一步分析蠕變裂紋的微觀特征可知，在不變裂紋發(fā)育的區(qū)域，可在金屬體內(nèi)部發(fā)現(xiàn)無規(guī)則圓形孔洞，圓形孔洞進(jìn)一步發(fā)育的可形成宏觀的蠕變裂紋。從這一角度理解，宏觀上觀察到蠕變裂紋的區(qū)域，其內(nèi)部必然存在大量的蠕變孔洞。

2.4 熱疲勞裂紋

熱疲勞指的是金屬材料在低于其最大拉伸強(qiáng)度的條件下，伴隨著熱應(yīng)力的變化，緩慢產(chǎn)生和擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂的現(xiàn)象。熱疲勞裂紋的宏觀特征分析如下，熱疲勞裂紋，通常情況下在部件的表面形成，在熱應(yīng)變最大的部分發(fā)育。表面情況對熱疲勞裂紋的影響不大，設(shè)備內(nèi)部的孔狀結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)性缺陷是熱疲勞裂紋經(jīng)常產(chǎn)生的地方。熱疲勞裂紋可單條產(chǎn)生也可多條同時出現(xiàn)，當(dāng)出現(xiàn)多條熱疲勞裂紋時，其中一條為主裂紋，其他裂紋為分支裂紋，其他裂紋在應(yīng)力松弛的條件下，通常不再進(jìn)一步發(fā)育。宏觀觀察可知熱疲勞裂紋一般短而粗，表面會發(fā)現(xiàn)明顯的網(wǎng)狀或線狀痕跡。分析熱疲勞裂紋的微觀形態(tài)可知，熱疲勞裂紋微觀極不規(guī)則，經(jīng)常呈現(xiàn)跳躍式發(fā)育，微觀可發(fā)現(xiàn)二次裂紋和分支裂紋，內(nèi)部的氧化物呈斷續(xù)分布。

2.5 腐蝕導(dǎo)致的裂紋

腐蝕導(dǎo)致的壓力容器、管道裂紋是化工生產(chǎn)中承壓部件的另一種失效表現(xiàn)形式，通常情況下，在振動應(yīng)力和介質(zhì)壓力同時存在的區(qū)域較為多發(fā)。分析輔食導(dǎo)致裂紋的宏觀特征可知，腐蝕疲勞和一般疲勞存在明顯的區(qū)別，也與應(yīng)力腐蝕裂紋存在不同的特征，通常情況下腐蝕疲勞裂紋呈現(xiàn)穿晶形態(tài)，經(jīng)常成組、成對出現(xiàn)。伴隨著腐蝕疲勞過程的不斷發(fā)展，腐蝕疲勞裂紋的寬度增加，裂縫中通常會充滿松散的腐蝕物質(zhì)，在壓力容器和壓力管道內(nèi)部或內(nèi)壁產(chǎn)生腐蝕坑和腐蝕通道。通常情況下，在腐蝕疲勞裂紋的末端呈現(xiàn)鈍形特征。

2.6 過熱和過燒裂紋

過熱和過燒裂紋通常在壓力容器壓力管道承壓部件的加工制造過程中，過熱指的是所用材質(zhì)在加熱到臨界點后繼續(xù)升溫，過燒則是指金屬材料在高溫下局部融化形成裂紋，從而埋下壓力容器壓力管道使用過程中的安全隱患。

3 預(yù)防化工壓力容器壓力管道裂紋產(chǎn)生的措施

3.1 重視壓力容器壓力管道生產(chǎn)加工質(zhì)量

提升壓力容器壓力管道的生產(chǎn)加工質(zhì)量可以從以下幾方面入手：首先，應(yīng)深入分析壓力容器壓力管道的應(yīng)用環(huán)境，明確壓力容器壓力管道的使用條件，確定相應(yīng)的材質(zhì)及加工生產(chǎn)工藝;其次，需仔細(xì)核對壓力容器壓力管道的加工生產(chǎn)圖紙，并核實制作細(xì)節(jié)，嚴(yán)格按照生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)工藝進(jìn)行加工;最后，在實際的加工生產(chǎn)過程中，應(yīng)避免生產(chǎn)環(huán)境的突然變化，對壓力容器壓力管道的影響，同時做好產(chǎn)品的質(zhì)量檢驗工作，避免不合格產(chǎn)品流入市場。

3.2 提升操作人員的技能水平

壓力容器壓力管道在化工生產(chǎn)中，長時間處于高溫高壓腐蝕環(huán)境中，對于壓力容器和壓力管道產(chǎn)生嚴(yán)重的不良影響。例如，重新啟動生產(chǎn)工序時，容器內(nèi)部的溫度和壓力會劇烈波動，這就要求現(xiàn)場操作人員盡可能減少環(huán)境劇烈波動，對于壓力容器壓力管道的影響。與此同時，需要現(xiàn)場的工作人員制定合理的操作流程和生產(chǎn)系統(tǒng)，延長壓力容器壓力管道的使用時間。最后制定詳細(xì)的現(xiàn)場操作工藝流程，嚴(yán)格要求現(xiàn)場技術(shù)人員按照工藝流程進(jìn)行相應(yīng)操作，加大培訓(xùn)力度，提升現(xiàn)場人員的理論水平和實操能力。

3.3 加強(qiáng)壓力容器壓力管道的定期質(zhì)量檢查工作

為有效避免壓力容器壓力管道裂紋對正常生產(chǎn)活動的影響，化工企業(yè)需重視裂紋檢測工作，配備專業(yè)的裂紋檢測工作隊伍。首先，建立完善的管理制度，要求檢測人員定期對壓力管道進(jìn)行檢修，尤其是容易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)，提升檢測效率和檢測質(zhì)量。其次，檢測過程中一旦發(fā)現(xiàn)裂紋問題，需及時對裂紋的形態(tài)和性質(zhì)進(jìn)行分析，并制定相應(yīng)的整改和維修措施，避免裂紋進(jìn)一步發(fā)展成為裂縫。與此同時，由于壓力容器壓力管道在設(shè)計時有其使用范圍，應(yīng)避免在實際應(yīng)用中長期處于超范圍，超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，使得壓力容器的疲勞有充足的時間釋放，延長壓力容器的使用壽命。

4 結(jié)語

化工生產(chǎn)過程中的壓力容器和壓力管道，由于內(nèi)外部環(huán)境的影響，容易產(chǎn)生裂紋，一旦壓力管道中的裂紋進(jìn)一步發(fā)育，不僅會嚴(yán)重降低壓力容器壓力管道的使用壽命，更會降低設(shè)備的安全系數(shù)，嚴(yán)重時威脅工作人員的生命安全和生產(chǎn)活動的順利進(jìn)行，導(dǎo)致嚴(yán)重的損失。為此，化工企業(yè)應(yīng)充分重視壓力容器壓力管道檢驗工作，深入研究裂紋產(chǎn)生的原因及類型，并針對性的開展預(yù)防工作。

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作者簡介：

高萬梁（1986- ），性別：男，民族：漢，籍貫：甘肅省蘭州市人，學(xué)歷：本科，現(xiàn)有職稱：中級工程師，研究方向：壓力容器壓力管道檢驗檢測。