壓力容器常見缺陷分析及影響

張正棠，孫寶財(cái)，張秉乾，白崇暉

（1. 甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院， 甘肅 蘭州 730050； 2. 中國石化銷售股份有限公司甘肅石油分公司， 甘肅 蘭州 730030）

壓力容器顧名思義是能夠承受一定壓力的一種密閉容器，它的用途比較廣泛是石油化工、航空航天、核電等領(lǐng)域中必不可少的設(shè)備， 壓力容器的發(fā)展速度直接影響一個(gè)國家的工業(yè)化進(jìn)程，在對經(jīng)濟(jì)發(fā)展領(lǐng)域中起著至關(guān)重要的作用[1]，壓力容器的安全使用也關(guān)系到整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與民生安全，壓力容器的運(yùn)行環(huán)境都是出于各種復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境，經(jīng)常與其他設(shè)備連接配合使用，壓力容器在制造、安裝、運(yùn)行中都會因?yàn)楦鞣N原因?qū)е氯萜髟谑褂眠^程中產(chǎn)生各種缺陷，這些缺陷在壓力等操作因素反復(fù)變化下使得壓力容器達(dá)到使用極限最終引起壓力容器產(chǎn)生韌性破裂、疲勞、腐蝕、蠕變等破壞[2-4]，這些缺陷在很大程度上直接威脅著整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此必須防止壓力容器產(chǎn)生缺陷。另外，壓力容器在制造過程中，會涉及焊接問題，一旦壓力容器焊接工藝、焊接人員操作出現(xiàn)問題，都會產(chǎn)生缺陷影響壓力容器的使用，最終導(dǎo)致安全事故的發(fā)生[5]。因此，針對上述壓力容器缺陷情況，必須熟悉壓力容器各個(gè)部位的運(yùn)行情況，及時(shí)檢查壓力容器本體質(zhì)量，還需要對壓力容器常見的焊接缺陷進(jìn)行識別，并且了解缺陷產(chǎn)生的原因，這樣才能預(yù)防和控制缺陷，降低壓力容器使用的安全事故，獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益[6]。

壓力容器缺陷產(chǎn)生的主要部位在焊縫處，影響焊縫質(zhì)量的因素就是焊接方法、焊接工藝等，壓力容器往往根據(jù)設(shè)備類型、規(guī)格不同選用的焊接方法也不一樣，壓力容器的焊接方法有手工焊、埋弧焊、氬弧焊、氣體保護(hù)焊等，應(yīng)當(dāng)根據(jù)設(shè)備具體的情況經(jīng)過焊接工藝評定合格后選擇合適的焊接方法，這樣才能保證設(shè)備的焊接質(zhì)量。另外，除了要選擇最優(yōu)的焊接參數(shù)外，保證現(xiàn)場焊接環(huán)境也是減小焊接缺陷的一個(gè)重要原因。文章對壓力容器缺陷產(chǎn)生及危害進(jìn)行分析，進(jìn)而在制造過程中盡量防止此類缺陷的產(chǎn)生。

1 缺陷類別

1.1 裂紋缺陷

裂紋缺陷是壓力容器缺陷中最常見、最難以控制的缺陷，也是導(dǎo)致壓力容器失效的因素，裂紋會出現(xiàn)在壓力容器任何部位，主要集中在焊縫周圍，有時(shí)候母材上也會出現(xiàn)裂紋，形成裂紋的原因多種多樣，主要的原因有原材料、制造過程，運(yùn)行中介質(zhì)和使用參數(shù)變化導(dǎo)致的，根據(jù)壓力容器多年檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)來看大多數(shù)裂紋都發(fā)生在焊縫周圍，裂紋首先是初步形成當(dāng)深度發(fā)展到一定程度就會導(dǎo)致容器失效，因此，對壓力容器檢驗(yàn)中裂紋的檢驗(yàn)最為重要，圖1 為壓力容器檢驗(yàn)過程中焊縫附近熱影響區(qū)上的裂紋。

圖1 熱影響區(qū)部位出現(xiàn)的裂紋

1.2 焊接缺陷

焊接過程及參數(shù)是壓力容器產(chǎn)生缺陷的主要原因，好多缺陷都是由焊接缺陷發(fā)展而來的，影響焊接缺陷的因素主要有焊接工藝、參數(shù)、焊工熟練程度、現(xiàn)場環(huán)境等

1.2.1 咬邊缺陷

咬邊缺陷是母材高度低于周邊高度，在焊接熱影響區(qū)中。咬邊缺陷在手工焊產(chǎn)生的原因一方面是輸入的焊接電流過大、焊接速度太快，另一方面是焊接電弧太長，焊接角度不對，都有可能引起咬邊缺陷。

1.2.2 焊接氣孔

焊接氣孔是待焊母材表面處理不好及焊接工藝參數(shù)選擇不當(dāng)引起的。 焊接之前要清理焊接表面上的氧化膜和污垢，倘若清理不干凈很容易產(chǎn)生焊接氣孔。Warnken 等學(xué)者[7-8]普遍認(rèn)為焊接氣孔的產(chǎn)生與焊接所產(chǎn)生的氣體密切相關(guān)，特別是氫元素。趙海燕等[9-10]認(rèn)為焊接氣孔是在激光焊接中深熔焊中匙孔存在波動(dòng)， 波出現(xiàn)衰竭和收縮引起的焊接氣孔。焊接氣孔是在焊接操作過程中熔池中氣體逸出速度比金屬凝固速度慢，從而部分氣體未逸出留存在金屬中導(dǎo)致空穴的形成。此外，導(dǎo)致焊接氣孔產(chǎn)生的原因遠(yuǎn)不止上述情況，如焊接之前對坡口邊緣的污垢清理不徹底；坡口表面殘留水滴、油滴、銹跡；焊條和焊劑沒有進(jìn)行烘干，保存措施不嚴(yán)格，導(dǎo)致焊條焊芯有銹蝕現(xiàn)象；藥皮放置時(shí)間過長出現(xiàn)變質(zhì)。這些因素都會使得氣體逸出的難度增加，部分氣體滯留在焊縫金屬中導(dǎo)致氣孔產(chǎn)生。在焊接操作時(shí)，焊接操作人員的水平也有可能導(dǎo)致焊接氣孔產(chǎn)生。

1.2.3 焊縫夾渣

夾渣留存在焊縫中直接影響壓力容器焊縫的強(qiáng)度，焊接過程中形成焊縫夾渣的原因有如下：首先，各種條件的限制使得熔渣無法逸出熔池導(dǎo)致夾渣產(chǎn)生。其次，焊接坡口開設(shè)不合理。第三，焊接操作人員水平。

1.2.4 未焊透與未熔合

未焊透和未熔合是有共同特點(diǎn)的都是焊縫中存在有沒有熔合的部分，而大多數(shù)未焊透缺陷主要是焊接速度過快或者氬弧焊未打底直接手工焊接，造成兩焊件沒有完全熔融。無論是未焊透還是未熔合，都會給壓力容器焊縫造成極大的影響，它們的存在直接削弱了焊縫的承壓強(qiáng)度。導(dǎo)致未熔合和未焊透的原因有待焊接的工件裝配間隙過小以及焊接坡口角度不合適。

1.2.5 燒穿

燒穿缺陷顧名思義就是焊接參數(shù)過大將待焊工件直接燒透，形成孔洞的現(xiàn)象。燒穿缺陷最直接的影響是會使得焊件母材質(zhì)量減少，焊縫不達(dá)到所需要求。

1.3 其他缺陷

1.3.1 錯(cuò)邊與角變形缺陷

錯(cuò)邊缺陷是兩個(gè)待焊工件表面不在同一平面上，在厚度方向上錯(cuò)開。無論是錯(cuò)邊缺陷還是角變形缺陷都會對壓力容器焊縫產(chǎn)生影響，而錯(cuò)邊和角變形缺陷也經(jīng)常出現(xiàn)在壓力容器焊接組裝中。

1.3.2 分層缺陷

分層缺陷屬于內(nèi)部缺陷，分層缺陷出現(xiàn)在壓力容器制造中的各個(gè)環(huán)節(jié)。大多數(shù)分層缺陷都是由于鋼坯或鋼錠的質(zhì)量問題，在軋制鋼板時(shí)未能很好地焊合。分層缺陷有可能會將鋼板從中間分離成兩層也有技術(shù)不成熟分層好多層的。一些分層缺陷在鋼板制造完檢測不出來往往在加工（如卷板、彎管）時(shí)才能發(fā)現(xiàn)。分層后的鋼板性能、強(qiáng)度較正常鋼板削弱了很多，往往鋼板分層都打不到壓力容器的設(shè)計(jì)要求，因此鋼板的分層缺陷在壓力容器中是不允許存在的。

2 壓力容器制造缺陷對其安全性的影響

壓力容器的各種缺陷主要造成殼體在幾何形狀上的不連續(xù)。這些不連續(xù)缺陷是應(yīng)力集中的部位會降低壓力容器的承壓能力和強(qiáng)度。兩種曲率半徑不同殼體連接在一起，其產(chǎn)生的應(yīng)力也不同，在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的變形也不一樣。

2.1 內(nèi)應(yīng)力的影響

內(nèi)應(yīng)力是壓力容器中危害最大的缺陷，幾乎只要有缺陷就會有內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生，一般來說，壓力容器在使用過程中產(chǎn)生的變形量越大的部位，往往是設(shè)備強(qiáng)度降低、內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生、失效可能性最大的部位。裂紋缺陷是在內(nèi)應(yīng)力發(fā)展中產(chǎn)生的，它的存在直接威脅著壓力容器的安全使用。因此，在壓力容器制造、使用中要控制缺陷的產(chǎn)生。

3 結(jié)論

文章從壓力容器常見的缺陷出發(fā)分析壓力容器中常見缺陷產(chǎn)生的原因，并對造成缺陷的因素進(jìn)行分析，對以后壓力容器制造生產(chǎn)過程中控制這些缺陷具有一定的意義。

壓力容器是特種設(shè)備中常用的設(shè)備，它的應(yīng)用環(huán)境具有一定的特殊性，一旦出現(xiàn)失效事故，其后果非常嚴(yán)重。因此，為了保證壓力容器能夠在規(guī)定條件下安全穩(wěn)定使用，對其常見的缺陷問題進(jìn)行有效的解決非常必要，尤其是焊接方面的。只有從源頭上認(rèn)識壓力容器焊接中存在的缺陷，才能找出缺陷產(chǎn)生的原因，也就有目的的選擇解決問題的方法，進(jìn)而保證壓力容器的焊接質(zhì)量，確保壓力容器的安全性。