鍋爐和壓力容器及壓力管道檢驗(yàn)中裂紋問題分析

金亞祥

（紅河州質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督綜合檢測中心，云南紅河 661100）

1 鍋爐、壓力容器和壓力管道檢驗(yàn)內(nèi)容和方法

目前按規(guī)范規(guī)定鍋爐、壓力容器和壓力管道的檢驗(yàn)方法主要分為3 種，包括內(nèi)部檢驗(yàn)、外部檢驗(yàn)和水（耐）壓試驗(yàn)，其目的是驗(yàn)證設(shè)備的符合性。外部檢驗(yàn)時必須保證設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下方可開展檢驗(yàn)。檢驗(yàn)方法采用宏觀檢查法，目的是審查使用單位的管理制度和作業(yè)人員的持證情況，檢查鍋爐、壓力容器和壓力管道外觀及安全控制系統(tǒng)是否正常。進(jìn)行內(nèi)部檢驗(yàn)時必須保證在設(shè)備或者壓力管道停運(yùn)狀態(tài)下進(jìn)行，一般按規(guī)范規(guī)定進(jìn)行檢驗(yàn)，主要檢驗(yàn)上次檢驗(yàn)時存在的問題和可能產(chǎn)生的問題。必須根據(jù)設(shè)備或管道使用情況制定合理的檢驗(yàn)方案，采取有效的檢測手段，不留死角地檢出可能導(dǎo)致或管道事故的安全隱患。水（耐）壓試驗(yàn)主要以水為介質(zhì)，在鍋爐、壓力容器和壓力管道內(nèi)部施加規(guī)定壓力，并檢測或管道的嚴(yán)密性。也驗(yàn)證其設(shè)備是否滿足其理論使用壓力。對鍋爐、壓力容器和壓力管道的檢驗(yàn)（監(jiān)督檢驗(yàn)）工作，其目的就是確保鍋爐、壓力容器和壓力管道系統(tǒng)能夠運(yùn)行良好，對可能產(chǎn)生的缺陷，尤其是裂紋要有足夠的檢出能力并提出處理方案。

2 鍋爐、壓力容器和壓力管道常見裂紋類型

2.1 焊接裂紋

鍋爐、壓力容器和壓力管道制造（安裝）過程中容易產(chǎn)生焊接裂紋，安裝過程中由于參數(shù)要求高，大多采用高強(qiáng)度材料和新材料，以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以避免會由于高溫作用產(chǎn)生熱裂紋和應(yīng)力作用導(dǎo)致的裂紋。在焊接過程中焊縫經(jīng)過較長時間焊接冷卻后其焊縫和金屬母材會形成焊接裂紋，其原因主要是焊接冷卻的金相組織中存在溶解的氫元素，在不同的介質(zhì)環(huán)境下，氫的溶解度不同，焊接金屬開始冷卻的過程中金相組織轉(zhuǎn)變，在氫元素影響下焊縫聚集，不斷冷卻下氫裂痕向焊縫和金屬母材冷裂紋發(fā)展。

2.2 腐蝕裂紋

在用鍋爐、壓力容器和壓力管道使用過程中，由于使用高參數(shù)導(dǎo)致設(shè)備或管道與內(nèi)部的介質(zhì)在一定條件下會持續(xù)進(jìn)行多種化學(xué)反應(yīng)，設(shè)備或管道內(nèi)壁面上集聚腐蝕性介質(zhì)，會腐蝕鍋爐、壓力容器和壓力管道內(nèi)壁。另一種形態(tài)的腐蝕是由于設(shè)備外壁防腐層或者保溫層脫落，導(dǎo)致裸露在外的金屬壁上集聚腐蝕介質(zhì)，最終會腐蝕鍋爐、壓力容器和壓力管道外壁。長期下去則導(dǎo)致鍋爐、壓力容器和壓力管道壁厚減薄，由于壁面強(qiáng)度不足而產(chǎn)生裂紋。

2.3 結(jié)構(gòu)性應(yīng)力裂紋

在用鍋爐、壓力容器和壓力管道由于設(shè)備向大型化、復(fù)雜化方向設(shè)計(jì)、制造，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可避免地存在的工字形、人字形等的結(jié)構(gòu)性不連接區(qū)域，其類型和數(shù)量都比較多。這種特殊工程架構(gòu)制造或者安裝時，構(gòu)件（管道）之間組對和焊接后會產(chǎn)生相互應(yīng)力，在相互平衡的情況能確保設(shè)備工作穩(wěn)定性。而隨著使用時間增加，結(jié)構(gòu)應(yīng)力維持不變，構(gòu)件（管道）逐漸老化，會產(chǎn)生應(yīng)力結(jié)構(gòu)性裂紋。其產(chǎn)生原因主要是組對工藝選擇不對、組對方法、焊接方法不對或者材料用錯導(dǎo)致演變周期短，容易引進(jìn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力裂紋。

2.4 蠕變—熱疲勞裂紋

在用鍋爐、壓力容器和壓力管道在使用過程中由于加熱和保溫過程產(chǎn)生的非彈性應(yīng)變不能恢復(fù)，降溫過程中產(chǎn)生拉應(yīng)力，如果金屬低于拉伸強(qiáng)度極限，此情況下受到應(yīng)力反復(fù)作用，則容易出現(xiàn)蠕變—熱疲勞裂紋。蠕變—熱疲勞裂紋是設(shè)備或管道材料在拉應(yīng)力的作用下隨著設(shè)備或管道使用時間的增加產(chǎn)生的，裂紋以逐漸擴(kuò)張的形式出現(xiàn)，主要因溫度因素和應(yīng)力作用產(chǎn)生。

3 鍋爐、壓力容器和壓力管道檢驗(yàn)中裂紋檢測技術(shù)應(yīng)用

3.1 超聲波檢測技術(shù)

超聲波檢測技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)成為一種重要檢測技術(shù)，最初主要用于探測金屬內(nèi)部缺陷，當(dāng)前已用于許多領(lǐng)域，目前在鍋爐、壓力容器和壓力管道檢驗(yàn)比較常用。檢測時在鍋爐、壓力容器和壓力管道檢測部位附近設(shè)置探頭模塊，并呈環(huán)向布置，探頭間距合理控制，探頭接收到反射波通過轉(zhuǎn)換形成直觀圖形即可評估鍋爐、壓力容器和壓力管道是否存在缺陷，能對裂紋進(jìn)行精確定位。

3.2 滲透檢測技術(shù)

滲透檢測技術(shù)在鍋爐、壓力容器和壓力管道檢驗(yàn)中，應(yīng)用頻率更高，該技術(shù)是利用毛細(xì)管原理為基礎(chǔ)的檢測技術(shù)，主要用于非疏孔性金屬或非金屬的零部件表面開口缺陷檢測，顯示直觀、操作簡單、容易判斷。但其實(shí)際應(yīng)用中也存在污染受檢測表面的不足。同時其應(yīng)用有一定限制條件，如疏孔性金屬或表面粗糙的材料及表面吸收性較強(qiáng)材料就不能應(yīng)用。

3.3 磁粉檢測技術(shù)

磁粉檢測技術(shù)同樣在鍋爐、壓力容器和壓力管道檢驗(yàn)中有著廣泛應(yīng)用，多應(yīng)用于碳鋼類材料檢測，主要檢測工件表面或近表面的缺陷，因其顯示直觀、操作簡單、容易判斷、不污染被檢工件，得以大量使用。其檢測效果主要受磁性材料磁化性能、光線亮度的影響，但只要合理使用磁粉探傷方法，如在受檢設(shè)備內(nèi)部光線較暗時采用熒光磁粉探傷，可以有效保證檢測精度和確定缺陷大小和位置。

4 鍋爐、壓力容器和壓力管道裂紋缺陷防治對策

4.1 加強(qiáng)原材料包括焊材的管理和質(zhì)量檢測

鍋爐、壓力容器和壓力管道制造（安裝）中，由于制造（安裝）保障能力欠缺，管理制度落實(shí)不到位，其使用過程中出現(xiàn)材料或焊材混用。另外，對高強(qiáng)度材料復(fù)驗(yàn)不到位，會危害到質(zhì)量。因此在實(shí)際中，需嚴(yán)格按規(guī)定加強(qiáng)原材料的管理和檢測工作，實(shí)現(xiàn)對可能產(chǎn)生裂紋的預(yù)防。具體在質(zhì)量控制中，單位要落實(shí)特種設(shè)備管理制度，實(shí)現(xiàn)對材料的入庫、領(lǐng)用、回收封閉管理和記錄，對需檢測原材料抗腐蝕性能、機(jī)械性能試驗(yàn)應(yīng)按規(guī)定復(fù)驗(yàn)，保證其過程中使用合格、有效的材料，以使鍋爐、壓力容器和壓力管道的使用壽命得以保障。

4.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)

分析鍋爐、壓力容器和壓力管道制造（安裝）過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力裂紋產(chǎn)生的原因，首先是設(shè)計(jì)單位在進(jìn)行設(shè)計(jì)時應(yīng)盡可能減少不連續(xù)結(jié)構(gòu)，選擇材料時要考慮材料與介質(zhì)的相溶性，材料的可焊性。安裝單位在施工作業(yè)過程中需對設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)提出合理的優(yōu)化方案與設(shè)計(jì)單位進(jìn)行溝通，盡可能采用已經(jīng)過驗(yàn)證的成熟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案；其次要制定合理的制造（安裝）工藝、特別是焊接工藝等的保障能力，降低鍋爐、壓力容器和壓力管道使用中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性應(yīng)力裂紋機(jī)率。同時，為保障鍋爐、壓力容器和壓力管道使用安全，減少裂紋造成的危害，還需在設(shè)備或管道制造（安裝）中做好設(shè)備部件連接加固作業(yè)，采取節(jié)點(diǎn)支護(hù)與外部補(bǔ)強(qiáng)加固方式，避免外部結(jié)構(gòu)區(qū)域?qū)е略O(shè)備本體產(chǎn)生裂紋缺陷。

4.3 保證鍋爐、壓力容器和壓力管道運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定

鍋爐、壓力容器和壓力管道使用過程中產(chǎn)生的裂紋，很大原因是在設(shè)備或管道長期超負(fù)荷運(yùn)行下出現(xiàn)的，這就需要使設(shè)備或管道盡可能處于正常平衡運(yùn)行狀態(tài)，減少壓力和溫度忽高忽低、頻繁開停機(jī)的現(xiàn)象，必要時增加緩沖節(jié)能裝置，各環(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行，降低鍋爐、壓力容器和壓力管道承受的疲勞風(fēng)險(xiǎn)。對此操作中需控制好關(guān)鍵步驟的過渡，即啟動、運(yùn)行和停車，確保設(shè)備或管道處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，不會產(chǎn)生太大的壓力和溫度變化，降低設(shè)備金屬材料承受的壓力和溫度刺激，減少裂紋產(chǎn)生的機(jī)率。

4.4 開展定期檢驗(yàn)和加強(qiáng)檢修與維護(hù)

鍋爐、壓力容器和壓力管道在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用頻率高、強(qiáng)度大，因此需開展定期檢驗(yàn)和檢修與維護(hù)，要有針對性的對設(shè)備或管道制定檢驗(yàn)和檢修與維護(hù)方案，對可能產(chǎn)生裂紋的部位重點(diǎn)檢驗(yàn)和檢修，采用檢驗(yàn)單位和使用單位成熟有效的檢測手段進(jìn)行檢測，對檢驗(yàn)中或維修中發(fā)現(xiàn)的裂紋采取有效的預(yù)處理方式。對表面性的裂紋可采用打磨消除的方法，對較深的裂紋應(yīng)先打止裂孔再打磨消除的方法。多層壓力容器產(chǎn)生的裂紋缺陷如果難以消除，可用有限元計(jì)算法或應(yīng)力分析法進(jìn)行校核，同時針對產(chǎn)生裂紋的設(shè)備或壓力管道，使用單位需落實(shí)并做好其檢修維護(hù)與管理工作制度，并明確關(guān)鍵維護(hù)節(jié)點(diǎn)，能夠及時發(fā)現(xiàn)問題、處理問題，降低裂紋造成的安全隱患。

5 結(jié)束語

裂紋是鍋爐、壓力容器和壓力管道運(yùn)行中不允許出現(xiàn)的問題，其形成有內(nèi)在原因也有外在條件，如果產(chǎn)生了裂紋會嚴(yán)重影響設(shè)備或管道的安全運(yùn)行。為提高鍋爐、壓力容器和壓力管道運(yùn)行安全，必須開展嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臋z驗(yàn)與檢修維護(hù)工作，合理應(yīng)用現(xiàn)有檢測技術(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，用最小的成本發(fā)現(xiàn)裂紋，同時使用單位要采取有效措施進(jìn)行預(yù)防和控制，保證鍋爐、壓力容器和壓力管道的安全、平穩(wěn)運(yùn)行。