鍋爐壓力容器裂紋的形成原因及預防措施

馬小華

（寧夏特種設備檢驗檢測院固原分院，寧夏 固原 756000）

1 鍋爐壓力容器定期檢驗概述

1.1 鍋爐壓力容器檢驗的意義

隨著經(jīng)濟水平和科技技術的持續(xù)提高與發(fā)展，我國對鍋爐壓力容器的使用也越來越多，其也被廣泛地應用到了各行各業(yè)中。鍋爐壓力容器一般都是用來裝卸和搬運諸如無水氫氣之類的腐蝕性介質的，由于其在使用過程中內(nèi)筒體會受到高溫的侵蝕和筒壁保護層變薄的情況，尤其是內(nèi)部的連接焊縫和熱感應區(qū)是鍋爐壓力容器內(nèi)最薄弱的部位，極有可能會出現(xiàn)裂縫問題，從而對鍋爐壓力容器安全運行構成嚴重威脅。并且，鍋爐壓力容器一旦產(chǎn)生裂縫，就有可能出現(xiàn)有害物質泄漏的情況，甚至在高壓作用下產(chǎn)生爆炸等惡性安全事故的發(fā)生。因此，要定期對鍋爐壓力容器進行檢查、維修等工作，并充分明確裂縫的種類和成因，進而有效消除其在后期運行中出現(xiàn)的變形、滲漏等現(xiàn)象。

1.2 鍋爐壓力容器檢驗的主要內(nèi)容

鍋爐壓力容器應根據(jù)國家相關法規(guī)對其進行檢驗。因此，在開展鍋爐壓力容器常規(guī)檢查時，應以內(nèi)部、外部及液壓檢查為主。而對于壓力容器的檢查，主要有對物料的檢驗、對人員的檢驗、對數(shù)據(jù)集的檢驗、對容器各部件的檢驗等。

2 鍋爐壓力容器裂紋的分類及形成原因

2.1 疲勞裂紋

在鍋爐壓力容器中，疲勞裂紋是一種普遍存在的裂紋，這種裂紋在初始階段大多較小，但是，在發(fā)展過程的中后期會逐步擴大，嚴重影響了其正常運行。疲勞裂紋的產(chǎn)生主要與鍋爐壓力容器的材質、設計、焊接以及處理工藝有較大的關聯(lián)。如蒸壓釜的釜齒根部與壓縮機出口管道附近，都有可能產(chǎn)生疲勞裂紋，且在產(chǎn)生后表現(xiàn)出不易發(fā)現(xiàn)、危險性強的特點。而疲勞裂紋又可以被劃分為機械疲勞裂紋、熱疲勞裂紋與腐蝕疲勞裂紋：機械設備疲勞裂紋以傳動齒輪、葉片、輔助轉動裝置及其他機械零件最常見。

2.2 蠕變裂紋

鍋爐壓力容器在長期恒溫、恒荷載工作條件下引起的塑性變形即為蠕變裂紋，其發(fā)展過程主要是初始、穩(wěn)態(tài)和加速蠕變?nèi)齻€階段，并最終由裂隙轉變?yōu)榱严稁?。一般主裂縫與與壓力管道中的主應力方向相垂直，彎曲處多沿軸向擴展，在較大的裂縫區(qū)內(nèi)，主裂縫附近常同時出現(xiàn)多條平行裂縫，且裂隙主要向晶粒方向擴展。而蠕變裂紋按其變形程度可劃分為沿晶、穿晶和延縮性三種蠕變類型。蠕變裂縫多發(fā)生在鍋爐壓力的管道與集箱等部位，且常伴隨著變形、材料破壞及相互分離等問題。

2.3 腐蝕裂紋

腐蝕裂紋是指鍋爐在腐蝕介質作用或應力作用下發(fā)生的裂紋，多發(fā)生在汽水管道部位，少數(shù)發(fā)生在集箱管座等部位。應力腐蝕裂紋指的是由應力腐蝕引起的裂紋現(xiàn)象，由于在工作中壓力容器與管道需要輸送各種化工產(chǎn)品，其中的腐蝕性液體等會對管道的內(nèi)部結構造成腐蝕，而在管道安裝的過程中，安裝不到位、焊接痕跡等都會在應力腐蝕的情況下慢慢地暴露出來，最后形成應力腐蝕裂紋。同時，引起腐蝕開裂的原因不只是單一影響因素所致，殘余應力、振動、冷加工變形等均可能成為形成腐蝕裂紋的影響因素。在實際的檢測過程中，應力腐蝕裂紋多出現(xiàn)在鍋爐彎管內(nèi)壁，在壓力管道的使用過程中，即使是局部只有輕微的腐蝕，也會引起腐蝕裂紋的產(chǎn)生，并呈現(xiàn)出帶狀延伸的群狀分布，且數(shù)量多、開口大，如果不能及時處理，將會由內(nèi)部繼續(xù)擴展到外部，從而引起很大的破壞。

2.4 焊接裂紋

鍋爐作為一種特殊的安全保護裝置，其結構并非一次成形，而是由各金屬構件通過焊接而成，就工作體系而言，鍋爐可被看作是其核心部分。因此，在鍋爐生產(chǎn)過程中，焊接裂紋是一種普遍存在的現(xiàn)象。當下大部分常見的鍋爐壓力容器、管道等都是應用特種金屬電焊軋制而成。如果在生產(chǎn)過程中忽視了一些細微的細節(jié)，就會造成電焊裂紋的產(chǎn)生，從而無法保證相關工業(yè)的生產(chǎn)安全。而焊接裂紋作為鍋爐壓力容器常見的嚴重缺陷，其特點是在焊接應力和其他脆性因素的共同作用下產(chǎn)生額縫隙，主要以切口尖細、長寬比大為特點。一般焊接裂紋是在焊接過程中與鍋爐壓力容器投入使用后出現(xiàn)的，根據(jù)具體原因可分為熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋及層狀撕裂等多種裂紋。而在熱裂紋中，也可劃分為結晶、液化與多變化裂紋，主要是焊接材料在高溫結晶下，與焊縫附近的低熔點物質發(fā)生反應，并在收縮時發(fā)生應力反應，從而導致了裂紋的產(chǎn)生。再熱裂縫是指鍋爐壓力容器在第二次加熱時，因各種外力作用下的附加變形集中在晶界處，從而引起再熱裂縫而形成的。出現(xiàn)層狀撕裂的原因主要是金屬中的非金屬雜質呈分層分布，在焊接過程中受到焊接應力的作用而形成分層撕裂。

2.5 過熱過冷裂紋

鍋爐壓力容器的主要材料是由金屬板構成的，焊接、軋制和冷卻等工藝都會造成溫度的變化，從而造成金屬板出現(xiàn)過熱過冷裂紋，這種裂紋形態(tài)具有短、寬、形狀曲折的特點，并且縫隙內(nèi)為黑棕色，通常不容易被發(fā)現(xiàn)。而過熱裂紋與碳、硫、氧及錳等元素的含量有關，當溫度高于金屬板的臨界溫度，就會引起過熱裂紋的形成。過冷裂紋是一種細微、呈直線性、連續(xù)裂紋，如果金屬焊接板的冷卻時間超出了規(guī)定時間時，冷卻裂紋就會出現(xiàn)。因此，鍋爐壓力容器在運行過程中出現(xiàn)過熱或過冷的裂縫，都會對其安全、穩(wěn)定和高效運行造成很大的危害。

3 鍋爐壓力容器裂紋的預防措施

3.1 健全鍋爐壓力容器的質量檢驗制度

健全的鍋爐壓力容器質量檢驗制度可以為其進行檢測提供有力的保證，確保容器質量能夠達到鍋爐的使用要求，并從根本上減少容器裂紋的出現(xiàn)概率。因此，為了完全保證鍋爐的安全運行，在鍋爐壓力容器的生產(chǎn)過程中，就應該以健全的檢測體系為基礎，有效地進行質量檢測，并結合實際應用使檢測流程更加符合檢測需要，降低鍋爐的運行風險。同時，在生產(chǎn)鍋爐壓力容器壓力管道過程中，應按照質量檢驗標準對每個工序進行嚴格的監(jiān)督，不能憑經(jīng)驗盲目進行生產(chǎn)，要注重規(guī)范和標準性。在對管道進行檢驗時，也應保證鍋爐壓力容器生產(chǎn)所需要的原材料、流程和工藝都與有關的標準相一致。另外，在滿足標準的前提下，對原材料的質量檢驗一定要注重細節(jié)，并在嚴格的質量檢驗流程下減少缺陷的出現(xiàn)概率。首先，在出廠前，應對鍋爐的品質進行多次檢驗，并對鍋爐壓力容器的生產(chǎn)精度進行控制，進而將產(chǎn)生裂縫的可能性降低到最小。其次，在設計過程中，應以科學、合理的設計圖紙為基礎進行詳細的研究和分析，并針對可能出現(xiàn)的裂縫類型及鍋爐的工作強度和頻率設置合適的參數(shù)，從而有效地保證鍋爐壓力容器的質量。最后，在制造過程中要嚴格控制質量，應對鍋爐的制造過程要進行認真、充分的檢查，以防止由于制造過程中的錯誤而導致的裂縫的出現(xiàn)概率增加。除此之外，對壓力管道的檢測還應該包括沖擊韌性、力學性能等多方面的檢測，并科學地評估材料的耐久性，進而對管道的有效使用時間進行預測，從而有效地保證鍋爐壓力容器的質量。

3.2 對鍋爐壓力容器進行定期檢驗工作

對鍋爐壓力容器進行定期檢查是保證其質量的一項重要措施。因此，為了保證裂縫的檢查和發(fā)現(xiàn)工作的高效，必須進行定期檢查，而滲透檢測法、超聲波檢測法、磁粉檢測法等都是進行鍋爐壓力容器檢驗工作的手段，且每種檢測方法都有各自的優(yōu)點和適用范圍。

3.3 制定好事故預防處理方案

鍋爐壓力容器的工作環(huán)境是復雜多樣的，對于一些在特殊環(huán)境中工作的壓力容器，在進行測試時要特別關注，并建立起相應的安全防范措施后，才能開展檢測工作。

3.4 強化檢驗機構的安全監(jiān)督管理

檢驗機構肩負著對鍋爐壓力容器進行監(jiān)督檢驗和定期檢查的任務，要保證鍋爐壓力容器的安全、穩(wěn)定、長期運行，就要強化其職責與安全管理，保證鍋爐壓力容器的穩(wěn)定發(fā)揮作用。一方面，檢驗機構要用健全的管理制度來為安全管理工作提供強有力的保證，并健全監(jiān)督、檢驗和責任等機制，來確保有關人員可以及時發(fā)現(xiàn)鍋爐壓力容器存在的裂紋問題，并對其展開維修，從而提高鍋爐壓力容器的穩(wěn)定性和可靠性。另一方面，檢驗機構要提高檢驗人員的責任意識，讓檢驗人員了解到自身所要承擔的重大責任，并可以積極主動地開展檢驗記錄、經(jīng)驗交流等工作，讓檢驗人員可以以一種高度負責的態(tài)度參與到工作中，更精確地為缺陷定性，從而保證鍋爐壓力容器的使用質量。

3.5 加強操作隊伍與檢驗隊伍建設

鍋爐在目前工業(yè)化的實際生產(chǎn)中已得到了廣泛的應用，隨著現(xiàn)有的鍋爐壓力管道相關技術的進步，對鍋爐的能源轉化為工業(yè)生產(chǎn)效率發(fā)揮了重要的輔助作用，但其開裂問題仍然沒有得到有效的解決。而除設備、材質等方面的質量問題外，運行過程中也會造成鍋爐壓力管的質量問題。同時，操作者的技術水平不僅直接影響鍋爐的穩(wěn)定運行，而且還間接地影響管道的使用壽命。因此，優(yōu)秀的操作隊伍與檢驗隊伍可以為鍋爐壓力容器的安全穩(wěn)定運行提供人才保障與智力支持。首先，相關工業(yè)化企業(yè)的特種設備操作人員必須持證上崗，定期進行技能培訓與職業(yè)技能規(guī)劃訓練與考核，明確傳授操作標準及規(guī)范，從根本上提高技術技能，減少因操作不當導致的相關問題，并避免由于失誤導致管道問題無法被有效檢出或操作不當導致鍋爐壓力容器裂紋的形成。同時，操作員還應該注意使用新技術和新方法，以提高熱能轉換效率為前提，保證工作的穩(wěn)定和安全。其次，應重視提高有關人員的業(yè)務綜合素質，保證其可以具備過硬的專業(yè)技術與職業(yè)道德素養(yǎng)。企業(yè)可以利用線上線下相結合的培訓教育形式，來提高人才隊伍建設的成效，促使相關人員可以對鍋爐壓力容器的操作規(guī)范和檢驗標準有全面的了解，從而保證鍋爐壓力容器的高質量運行。最后，企業(yè)也應做好相關人才的招聘和引進工作，加大對高素質的技術技能型人才的引進力度，讓其能夠擁有豐富的專業(yè)知識、專業(yè)技能和職業(yè)素養(yǎng)，從而保證鍋爐壓力容器的正確使用和有效檢測。

3.6 保障鍋爐壓力容器的穩(wěn)定運行

大部分鍋爐壓力容器的裂縫都是在長期運行中逐步形成的，如果能夠保證鍋爐的穩(wěn)定運行，將會有效延長裂縫出現(xiàn)的時間，從而提高其使用壽命。因此，對于鍋爐的每個運行環(huán)節(jié)，都需要遵守有關的標準和要求，進而有效減少鍋爐壓力容器所承受的風險，應從鍋爐的開啟、運作以及停止3 個階段進行運行管控，以保證鍋爐能夠處于平穩(wěn)的狀態(tài)，減少運行過程中因溫度波動幅度過大而產(chǎn)生的鍋爐壓力容器裂縫。工作人員需要采取交替工作制來時刻注意其日常運轉狀況，進而有效避免其長時間處于在高壓、高溫的環(huán)境中，要適當?shù)刈屽仩t停機休息、緩解應力。并且，也應加強對鍋爐內(nèi)壁清潔的關注，要及時用化學方法除去黏附在內(nèi)壁上的雜質，防止因加熱不均勻而產(chǎn)生裂紋。

4 結語

綜上所述，在長期的生產(chǎn)過程中，鍋爐壓力容器都是長期處于高溫高壓且封閉的狀態(tài)，如果因出現(xiàn)裂縫而達不到密封性要求，不僅會縮短容器和管道的使用壽命，同時，也會對相關工業(yè)生產(chǎn)帶來極大的安全隱患，對生產(chǎn)人員的生命安全造成威脅。因此，要加強對鍋爐壓力容器裂紋的關注，掌握裂紋的常見類型及產(chǎn)生原因，并以此為依據(jù)進行有效的預防，消除裂紋所造成的安全隱患，進而有效地提高鍋爐壓力容器的整體運行質量，減少鍋爐安全事故的發(fā)生概率。