对压力容器压力管道检验中裂纹问题的探析

2018-12-07谢觐安张城松

智能城市 2018年21期

谢觐安张城松

湖南省特种设备检验检测研究院常德分院，湖南常德 415000

压力容器长期处于高温、高压等恶劣环境中，对压力管道的密封性提出了较高要求，如果管道出现裂纹，就会增加爆炸风险。对于生产企业而言，要想提高生产效率和安全性，就必须做好检验工作，及时发现压力管道裂纹，并采取有效措施进行处理。以下结合实践进行探讨。

1 压力容器压力管道的检验内容

1.1 分析工作环境

检验压力管道时，首先了解压力容器的采购时间、使用时间。以容器外壁检验为例，检验内容包括温度环境、输水环境、放水环境、可支撑环境等，防止内外温差过大导致管壁出现裂纹。值得注意的是，检验过程中要控制输水、放水、可支撑环境，创建一个安全的检验环境。如果容器接受过技术改造，还要检验温控系统，确保处于合理的工作环境中。

1.2 核对技术资料

压力管道检验期间，要对检验结果和技术资料进行核对，例如，最大承受压力、刚度、薄弱点等。不论是内部检验还是外部检验，如果检验结果和技术资料不同，就说明存在质量问题，要对运行性质进行检测；压力管道经检验没有裂纹缺陷，就要进行实时监测，看压力管道的刚度变化情况。值得注意的是，安全等级为1级或2级的压力容器，检验周期是6年1次；安全等级为3级的压力容器，检验周期是3～6年1次，要求管理人员定期检验，以排除安全隐患[1]。

1.3 开展水压测试

压力管道的检验，主要采用水压测试法，如图1所示。观察水流在静止状态、流动状态下的稳定性，从而判断压力管道的密封性。水压测试期间，技术要点如下：（1）根据外界温度的不同，水压设置也不同，如果管道存在裂纹、裂缝，就会出现渗水漏水等现象；（2）技术含量高，不仅测试工艺复杂，还要进行后期处理，避免影响容器的正常运行；（3）整个测试时间长，完成检测后，测试人员和焊接人员要沟通交流，制定相应的修补措施，以保证容器正常运行。标准水压试验示意图如图1所示。

图1 标准水压试验示意图

2 压力管道裂纹的类型和特征

2.1 疲劳裂纹

一是机械疲劳裂纹。通常发生在小孔、尖角、接头、加工刀痕、焊缝热影响部位，一般呈直线状态，初始阶段裂纹短小，然后逐渐发展成为一条长裂纹，后期裂纹的宽度、长度快速增加。在微观上，影响机械疲劳的因素，包括材料结构、组织状态、受力条件、环境介质等。裂纹开口处较宽，伴有粘结斑坑；两侧则平整光滑，深度较浅。

二是腐蚀疲劳裂纹。腐蚀疲劳裂纹的出现，本质上是承压部件处于汽水环境中失效的一种形式，常出现在汽包和集箱管座处。该部位不仅承受较大压力，还会受到传递振动应力的影响，随着时间延长最终出现裂纹并断裂。和一般疲劳相比，腐蚀疲劳裂纹具有穿晶性，且裂纹数量多，缝隙内充满腐蚀物，管壁上可见沟槽、通道、腐蚀坑等[2]。在微观上，腐蚀疲劳是腐蚀介质、应力共同作用的结果，裂纹处可见明显的腐蚀破坏特征，从内壁形成长度、深度不一的裂纹群。

三是热疲劳裂纹。压力管道由金属材料制成，在低于拉伸强度条件下，受到热交变应力的反复作用，可能造成热疲劳断裂。以火电厂为例，热疲劳裂纹常出现在蒸汽管道、输水管道、排汽管道上，一般起源于部件表面热应力最大的部位。其中一条是主裂纹，其余裂纹在应力松弛的影响下，不会扩展或扩展速度减慢。在微观上，热疲劳裂纹不规则，宽度可大可小，具有间断性，甚至产生分支和二次裂纹；管壁受到热冲击后，裂纹呈现网簇状分布，主裂纹会轴向扩展，若压应力过大裂纹还会向四周扩展。

2.2 蠕变裂纹

蠕变裂纹是在温度、应力作用下，导致管道材料分离，伴有金属变形、损伤等现象，最终出现裂纹。蠕变裂纹的走向，和最大应力方向垂直，呈现轴向分布。裂纹曲折发展，会形成较宽的裂纹带，主裂纹两侧有多个平行分布的小裂纹。在压力管道中，蠕变裂纹集中在高应力应变区，例如，高温构件、过热胀粗管、热影响区等。在微观上，蠕变裂纹可见椭圆形孔洞，且裂纹沿晶扩展。在焊缝损伤部位，裂纹由外向内发展，分支走向和焊缝熔合线相互平行。

2.3 应力腐蚀裂纹

应力腐蚀裂纹，是应力作用、腐蚀介质共同作用的结果，常见于集箱管座、汽水管道等部位。在管道材质上，奥氏体不锈钢易遭受应力腐蚀，只需很小的应力就可能引起腐蚀开裂，影响因素包括振动、加工变形等。该裂纹的发展和张应力相垂直，压力管道出现应力腐蚀裂纹，呈现带状且向轴向延伸，具有长度短、开口宽、数量多的特点[3]。在微观上，裂纹呈“之”字形发展，由表面向内部扩展，起源处组织结构不连续。

3 针对压力管道裂纹的防治措施

3.1 加强原料零件检验

对原料进行检验，能从源头上保证压力管道质量，降低裂纹发生率，提高压力容器运行的安全性。具体来说，应该制定科学合理的原料采购计划，做好市场调查工作，了解原料的性能、规格、价格等要素，选择有实力、有资质的供货商，提高原料的性价比。其次在零件加工时，应该严格控制技术工艺，保证加工作业的流程化、规范化，将尺寸误差控制在允许范围内[4]。最后在设备出厂前，除了生产商自我检测以外，还应该邀请第三方检测机构，防止厂商作弊，及时发现不合理、不规范等问题。针对存在的问题，要求厂商及时整改，直至满足规范技术要求，降低压力管道裂纹的发生风险。

3.2 控制容器压力限值

针对压力管道裂纹的防治工作，应该贯穿在生产、施工、维修全过程，将压力值控制在极限范围以内。一方面，采用PLC控制系统，监测压力容器的实时运行状态，分析温度、压力、流速等参数的变化，针对异常数据进行调整，避免系统出现故障。另一方面，针对压力容器的薄弱部位，应该采取加固防裂措施，例如，外压加强圈；对于焊接部位，合理选择焊接形式，控制焊缝大小和走向，提高压力管道的整体性。

3.3 落实维护保养工作

压力容器具有明确的使用寿命和工作条件，控制工作环境，能减轻设备损耗，延长使用寿命，避免出现裂纹。对此，要制定科学的运行方案，合理安排使用时间、维修时间、停运时间，对环境温度、湿度、压力等因素进行控制，改善压力容器的运行环境[5]。还要加强维护保养，委派专人定期巡检、检测，制定大修计划，及时发现管道存在的问题，消除故障隐患，避免因裂纹造成严重的损害。

3.4 提高人员技能水平

工作人员的技术水平高低，直接影响压力容器的运行质量，是导致压力管道出现裂纹的原因之一。对此，应该从人员本身出发，提高专业技能水平，具体措施如下：第一，改进人才聘任模式，适当提高人才准入门槛，将学历、技能、经验、素养等要素作为录取标准，只有满足标准才能进入岗位。第二，企业要重视员工的培训学习，定期组织员工开展座谈会、专家讲座，学习先进的知识和技术，创新工作管理模式，提高容器运行的安全性、可靠性。第三，落实质量负责制，制定合适的奖惩激励措施，将工作质量和薪酬待遇、职位晋升相挂钩，激发人员的主观能动性。