鍋爐壓力容器中金屬管道裂紋問題的解決方案研究

萬陽輝

（江西省鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院南昌分院，江西 南昌 330000）

鍋爐企業經常面臨鍋爐壓力過高，管道高壓的狀態，在這種狀態下，如果繼續加溫，很可能保證鍋爐壓力容器爆炸，不僅會損壞鍋爐壓力容器，還會導致看守容器的人員傷亡。面對這個嚴重的問題，各個鍋爐壓力企業都制定了一定的措施來避免鍋爐壓力容器損壞爆炸，即各個看守壓力容器的工作人員重視起來，及時檢測鍋爐壓力容器中的金屬管道，早發現，早處理，一旦出現了細小的裂紋，需要及時進行更換，除此之外，還應該積極調查管道出現裂紋的原因，減少裂紋產生的頻率[1]。

鍋爐壓力容器的安裝是鍋爐加熱的最初環節，在這個工作階段出現裂縫的原因主要有兩個，一是安裝人員操作不當造成的裂縫，第二則是安裝的金屬管線材料本身就存在問題。目前，隨著我國鍋爐壓力容器企業發展速度的加快，鍋爐企業的規模也在不斷擴大，需安裝的壓力管線長度不斷增加。但在許多情況下，這些管線需要以曲線方式鋪設。曲線鋪設雖然可以減少管線材料消耗，但是極容易因為管道彎曲或地面凹凸不平，出現裂紋，造成安全事故，因此設計了金屬管道裂紋問題的解決方案。

1 鍋爐壓力容器中金屬管道檢測中常見的裂紋問題

1.1 溫度變化產生裂紋

由于金屬管道材質的限制，其在過冷或過熱的環境中都容易開裂。除此之外，在制作鍋爐壓力容器的金屬管線時，要經過多道工序，各個工序環節都涉及溫度變化。例如，在加熱過程中，如果溫度過高，則會導致管線晶變，產生裂紋，不僅如此，如果溫度高于金屬臨界溫度，會出現熱裂紋，在冷卻時還會出現冷裂紋。隨著溫度的下降，冷裂紋比熱裂紋更細小，裂紋的具體呈現狀態如圖1所示。

由圖1可知，在觀察裂紋時，由于冷裂紋更細小，一定要仔細觀察才能發現，因此需要使用專業的觀察工具，一一篩選，確保金屬管線無裂紋產生才可進行作業[2]。

圖1 裂紋狀態

1.2 腐蝕裂紋

腐蝕裂紋產生的原因比較多，這種裂紋往往是由壓力負荷結合容器條件改變產生的，多數裂紋見于蒸汽水管和管板。通過對裂紋結構的分析，可以選擇裂紋存在的固定位置，展示內壓前后彎頭裂紋形狀的變化。腐蝕性環境是導致腐蝕裂紋產生的元兇，由于腐蝕性環境中包含著極強的腐蝕介質，這些腐蝕性介質具有強堿性，當腐蝕性介質與金屬發生化學反應時，金屬管道就會在電流的作用下產生不同程度的裂紋，此時裂紋形態變化如圖2所示。

圖2 裂紋形態變化

由圖2可知，在鍋爐壓力容器中，往往溫度很高，在加溫降溫的過程中很容易產生水蒸氣，產生的水蒸氣凝結成水珠，滴落到金屬管道上，會使部分空氣中的化學成分與金屬管道發生反應，最終導致金屬管線腐蝕開裂。當金屬板與高濃度腐蝕介質接觸時，金屬板表面的金屬晶體與腐蝕介質的晶體界面之間會通過晶體與陰極的化學反應，產生電位差，晶體前面的陽極作用于金屬板導致其被腐蝕。這種腐蝕發生在金屬內部而不是金屬板表面。因此，腐蝕裂紋也是一種不易檢測的裂紋。

由于腐蝕裂紋檢測不易，因此當腐蝕裂紋發生時，管道整體會呈現空心狀態，自然不能承受重量了。腐蝕裂紋的類型有很多，不僅有水蒸氣作用產生的刺激裂紋，還包括與腐蝕介質反應產生的主裂紋，但這兩種裂紋都產生在金屬管線內部，不易檢測，當操作員用肉眼檢測到裂紋時，檢測到的實際上是通過主裂紋擴展的二次裂紋。這類二次裂紋不能穿透晶體，而是在晶體表面進行擴散，導致管線破裂。所以，如果肉眼能看到二次腐蝕裂紋，說明金屬管線內部的裂紋已經很嚴重了。此時，金屬管線內部裂紋已經呈黑色狀態[3]。

1.3 疲勞裂紋

疲勞裂紋是壓力管道組件在長期使用后出現的性能衰退現象，長期使用后，壓力管道的不同表層一般會出現不同程度的裂紋，相比其他裂紋，疲勞裂紋在修復方面需要更高的成本，而其存在的隱患更嚴重，隨時都有爆管的可能性，不同表層受力情況如下表1所示。

表1 受力情況

由表1可知，管道的裂紋狀態隨著使用年限和使用方法不斷地變化，但在所有金屬管道裂紋問題中，疲勞裂紋出現得是最頻繁的，由于管道長期循環使用，鍋爐壓力容器中的溫度和壓力也較高，導致在鍋爐壓力容器中一些特殊的區域存在的管線上布滿了疲勞裂紋，這些裂紋在壓力的作用下會變形，甚至變得越來越大。

簡單來說，任何東西使用時間久了都可能會產生疲勞反應，因此形成疲勞裂紋屬于正常現象，在疲勞裂紋形成的前期，這種裂紋主要呈直線狀態由內向外部擴張，但隨著使用次數增多，這種裂紋會扭曲變形，不斷地擴大，到后期，會產生更多細小的疲勞裂紋，且疲勞裂紋具有合并性，生長的區域大多一致，因此預防疲勞裂紋必須遵循早發現規則，后期的疲勞裂紋周圍的細碎裂紋過多，失去了處理的意義，必須進行更換，所以在檢查時，相關人員必須仔細觀察，不能放過任何一個細小的裂紋。

2 鍋爐壓力容器中金屬管道檢測中裂紋問題解決方案

2.1 規劃操作要求

鍋爐壓力管線在運行過程中出現裂縫，不僅是由內壓和外壓造成的，還有由于部分員工操作知識，缺乏操作技能。為減少裂紋的發生，操作人員需要提高操作水平，實現鍋爐從開到停的平穩過渡，有效控制爐溫，并通過防止管道過熱和過冷來降低管道壓力，避免管道因溫度突然變化而破裂。因此，在操作時應該規范運營要求，嚴格按照規定操作，保證鍋爐壓力容器始終處于正常狀態。不僅如此，各個鍋爐公司需要分階段提高鍋爐操作人員的準入門檻并及時對新員工進行鍋爐壓力容器操作規范技術培訓，對可能出現的裂紋原因進行分析解釋，保證鍋爐壓力容器的安全。

2.2 制定科學檢驗程序

研究表明，對鍋爐壓力容器進行及時檢驗對保證該容器安全來說十分重要，因此需要制定科學的檢驗程序，在進行鍋爐作業前，對作業的各個零件、作業設備、原料等進行充分檢驗，保證這些作業用品符合要求，然后再開始作業，在制作鍋爐壓力容器的金屬管線時，需要注意生產的金屬管線是否符合質量要求，只有將符合質量要求的管線應用到鍋爐作業中才能保證鍋爐作業的安全。

檢驗金屬管線是否符合要求，首先需要檢驗制作金屬管線的原材料，保證原材料的來源和純度，檢驗原材料后，需要檢驗鍋爐壓力容器的零件，保證零件的尺寸，材料符合壓力容器的要求，并匹配適宜的制造工藝制造，從根本上避免了管道裂紋的產生。

2.3 提高操作人員技能水平

鍋爐壓力容器操作起來十分復雜，一旦有一點失誤就可能導致安全問題，因此必須提高操作人員的技能水平，避免操作人員由于操作不熟練或操作知識儲備不豐富導致的管道裂紋，因此各個鍋爐企業和相關的管理部門需要對新上崗的員工和操作生疏的員工進行統一培訓，將管道裂紋知識傾囊相授，并進行考核，保證鍋爐壓力容器始終處于安全狀態[4,5]。

3 結語

綜上所述，大多數鍋爐企業在操作時通常面臨高溫高壓的環境，非常危險，但鍋爐企業對我國的工業生產有重要意義，因此在鍋爐企業作業時，應及時對金屬管線進行檢查并保養，發現問題及時處理，避免由于管線裂紋產生的人員傷亡問題，除此之外，還需要加強相關技術的研發，爭取早日研發出更實用的方案，徹底解決管道裂紋問題。