锅炉、压力容器、压力管道检验中的裂纹问题及预防

2023-03-11魏生军李富富祁昶

科学与信息化 2023年2期

魏生军李富富祁昶

新疆兰石重装能源工程有限公司新疆哈密 839000

引言

锅炉、压力容器、压力管道被广泛应用于能源开发、工业生产等领域，由于锅炉压力管道通常处于高温高压的状态，因而在生产过程中对管道的安全性与稳定性要求很高。然而锅炉压力管道自身结构所处的工作环境复杂，长时间运行容易产生裂纹，且锅炉压力管道裂纹是影响安全生产的关键。因此对于锅炉生产企业而言，锅炉压力管道裂纹检验是生产必须考虑的问题，如何开展锅炉压力管道裂纹检验成为锅炉企业面临的难题。本文对锅炉、压力容器、压力管道的裂纹检验进行分析，提出锅炉压力管道裂纹的预防措施与方法，以期为相关研究提供参考。

1 锅炉、压力容器、压力管道的检验检测内容

锅炉、压力容器、压力管道定期检验是目前承压类特种设备检验检测的基本要求。在检验过程中，在使用单位进行自检合格基础上，由专业检验机构进行检验，通常包含设备内外部的外观尺寸检验、壁厚测定、无损检测、理化检测、水压试验等内容。检验内容主要包括基础技术资料审查、设备位置和外观质量、管道焊缝质量、管径的周长和外径测量、安全附件检查等[1]。掌握设备的基本数据信息情况、制造安装施工情况、维修改造情况、安全附件检定情况，对设备的外观、安全保护装置等进行检查，对设备本体进行焊缝、热影响区、应力集中部位等进行检查。锅炉外部检验主要是在锅炉正常运行状态下进行的安全性能检测，一般1年进行1次。锅炉内部检验一般在锅炉停止使用状态下进行，检验周期一般是2年1次。特殊情况下，也需要提前进行内外部检验，如锅炉移装后在投入使用前、锅炉停运后恢复运行时、锅炉变更燃烧方式、锅炉安装自控系统等专业设备时都需要进行。因为锅炉是以水或者其他液体作为介质来传导热能的设备，需要对锅炉内部承压部位的强度、严密性等进行检测验证，在内外部检验的同时，必要时还需要进行水压试验，检验检测结论不合格的设备不得投入使用。

2 锅炉、压力容器、压力管道检验中的裂纹问题

2.1 疲劳裂纹

一般来讲，疲劳裂纹是锅炉容器长期使用后最容易出现的裂纹种类。疲劳裂纹如果不及时发现和处理，还会扩展成腐蚀疲劳裂纹和机械疲劳裂纹。整体上讲，疲劳裂纹是燃料等介质与锅炉表面接触比较集中的部位受压程度过大导致的，后续会在两者的接触面四周连锁产生大面积的裂纹，简称机械疲劳裂纹[2]。这时，裂纹的侵袭还在继续，往往不起眼的裂缝会随着使用频率的增加逐渐向容器内部呈隧道式扩展延长，比较明显的裂痕也会因接触面受迫力的增加而加倍蔓延；锅炉容器产生蒸汽的过程会因为剧烈燃烧产生不可避免的震动，然而，震动产生的应力再加上物质间接触产生的压力会共同造成腐蚀性疲劳裂纹。这是由于容器使用时间的增长会使原有的疲劳性裂缝在长度和宽度上大大增加，进而使含有刺激性或腐蚀性物质的燃料日积月累、见缝插针地填满一个个裂缝，最终不仅会腐蚀和扩大原有裂缝，而且这也是降低压力容器质量水平的元凶之一。

2.2 应力腐蚀裂纹

由于压力容器在实际运转过程中，其内部所装载的物品都具有强碱性，这也使其在一定的化学作用下会产生反应，产生较为显著的电位差，这就是应力腐蚀问题。同时，在粒子作用的引导下，应力腐蚀还会在当前的腐蚀面上展开辐射性扩散，从而引发裂纹出现。而从另一个角度上来看，压力容器和压力管道中的内外应力，其在最大部位上也会由于苛性脆化使得原本出现的裂纹呈现出一种由内向外辐射的状态，长期如此就会引发较为严重的安全事故出现[3]。通常情况下，由于应力腐蚀而出现的裂纹，其都呈现出一种放射状态，其在外形上与蜘蛛网较为类似，具备从内向外逐步辐射的特性，这就需要工作人员在展开安全检查工作的过程中，对应力腐蚀问题保持高度重视，避免其对工业企业带来额外的经济损失，而裂纹通常都会随着主裂纹的方向而逐步向外扩散，在腐蚀达到一定程度时就会引发质变，主裂纹与支裂纹的纹路十分清晰，但这种因应力腐蚀而产生的裂纹现象，其不会引发压力锅炉钢板变形等问题出现。

2.3 焊接裂纹

焊接裂纹主要是在管道安装过程中产生的，它是由于焊缝中原子结合遭受到破坏，从而形成新的界面而产生的裂缝。焊接裂纹通常存在焊缝的热影响区，角焊缝表面缺陷区和具有较大残余应力的焊缝处。根据焊接裂纹形成的条件，可以分成冷裂纹、热裂纹、层状撕裂和再热裂纹。其中，热裂纹通常发生于焊缝金属凝固末期，又称为结晶裂纹。热裂纹通常沿晶界开裂，裂纹表面有氧化色彩，同时失去金属原有的光泽。管道的热裂纹通常发生在杂质较多的碳钢、奥氏体不锈钢和低合金钢等材料的焊缝中。冷裂纹指在焊缝冷却至马氏体转变温度点以下而产生的裂纹，通常在焊后一段时间后发生，因此又称为延迟裂纹。钢的淬硬倾向、拘束应力和焊接接头中的扩散氢含量是致使冷裂纹发生的原因。冷裂纹的开裂方式分为穿晶开裂、沿晶开裂和二者混合出现。冷裂纹主要产生于热影响区，少数发生在焊缝上[4]。再热裂纹主要发生在焊接接头冷却后随后又加热至500~650℃时而生成的裂纹。再热裂纹主要发生在添加Mo、Ti、Nb、Cr等金属元素而具有沉淀强化的材料中的焊接热影响区中，再热裂纹一般由熔合线向热影响区中的粗晶区扩展，具有晶间开裂的特点。层状撕裂是焊接时在焊接构件中沿钢板轧制方向形成的显阶梯状的一种裂纹。层状裂纹也属于冷裂纹的一种，主要产生于钢材的轧制过程中，夹杂在其中的Al2O3、硅酸盐类和硫化物等杂质形成各向异性，导致层状裂纹的发生。

3 锅炉、压力容器、压力管道检验中的裂纹预防措施

3.1 健全管理结构体系

做好对各种压力管道和压力容器的裂纹管理工作，对企业的安全生产具有非常重要的意义，通过分析裂纹产生原因，找出补救措施，从而能为企业减少经济损失。裂纹管理是一项复杂的管理工作，需要从管理模式和相应的技术手段两方面入手。首先需要在制度上建立健全管理体制，相关部门要各司其职，协调合作，畅通沟通交流的渠道，通过制度的约束，严格管理相应的工作人员，保障各项工作有序、高效、规范化的开展，减少人为失误而引起的种种问题；其次，要引进先进的检测技术，提出减少裂纹产生的合理化意见。相关检验检测机构可以利用现代化的技术检测手段，对企业在实际生产中遇到的问题进行详细分析，分析裂缝产生原因，是人为因素还是工艺流程所导致的，进而提出改善措施，从源头解决问题，既降低了生产成本，又提升了工作效率，通过技术解决问题。

3.2 加强原材料包括焊材管理和质量检测

各种压力管道、压力设施在制造安装的过程中，对原材料、技术流程都有严格的要求，原材料质量不合格，再完善的工艺流程都生产不出合格的产品，因此，在使用原材料时，要对相关人员严格要求，从原材料的购置、运输、储存、验收等环节都要有明确的规定，明确各部门的具体职责，在管理上做到精细化管理，防止因某个环节疏忽而使用了质量不合格的原材料。同时，在投入使用前还要进一步确定材料的可靠性，可以通过相关实验检测材料的抗腐蚀性、机械性能等相关要求，全面杜绝以次充好，从而保障生产安装的产品质量过硬，安全可靠，有较长的使用寿命。

3.3 做好锅炉定期检查工作

定期对锅炉设备的巡检工作也是必不可少的。对此检查人员和施工人员可以结合实际作业情况制定出科学系统的检查与保养保修方案，包括详细的设备故障应急处理措施等，针对每次检查的设备零件要详细记录好检验日期、检验时的状态及建议处理措施等重要内容并完整保存归档，这样不仅可以潜移默化地提高检验员和技术员遇到紧急问题的应对能力，而且能极大地降低锅炉和管道出现裂缝的风险。

3.4 规范质量检验程序

原材料的质量检验环节有着十分重要的作用，甚至会直接影响锅炉压力容器的生产质量，通过对原材料的质量把控，能够在源头上避免裂纹问题出现。因此，这就需要对原材料选择、原材料运输和原材料加工等多个工作环节进行严格检测，并且在明确每种原材料应用标准的前提下，做好对零件的检验工作，确保每个零件都能够得到严格的检测，避免因为某个小零件存在的问题而对压力容器整体功能产生破坏。所以，从零件生产环节及加工环节的角度上来看，不仅需要明确基本的质量检验程序，还要将生产标准作为主要依据，对操作程序进行规范，防止因操作问题而对锅炉质量产生不良影响。除此之外，为了保证检验工作的开展质量，还可以找寻社会中的第三方机构进行再次检验，避免其中出现检验漏洞，通过多重检验的方式有效排除其中存在的安全隐患。

3.5 加强裂纹检验管理

锅炉压力管道检验需要结合其工作环境、技术资料，确定压力管道检验频率和方法，便于检验管理。①对锅炉压力管道的工作环境进行分析，记录锅炉压力管道的有效使用时间、检验管道温度、输水、放水环境等，对温控系统进行检验，确保工作环境处于管道正常工作范围。②对技术资料进行核准，确保其中的参数在允许波动范围内，如果出现大的波动，需要开展检验。③对管道设备运行进行管理，疲劳操作和设备过度运转会减少设备使用寿命，缩短使用年限，因此需要加强管道控制管理，避免过度使用，从而减少裂纹的产生，确保设备使用安全。④提高检验频率，建立定期检验制度，如果发现物理性裂纹，可以通过检验查出问题，对裂纹进行打磨消除、补焊修复，无法修复时更换设备。

3.6 加大日常维护工作的开展力度

日常维护工作属于保证锅炉压力容器能够正常运转的关键所在，这就需要根据实际情况构建出更加规范的维护检验体系。首先，要对生产环节的质量检验工作进行规范，建立具有指导作用、约束作用的管理体系；其次，由于压力管道在工作状态中，很难对裂纹问题进行预防，这就需要重点提升操作人员的应急处理能力，在锅炉处于停炉状态时来释放压力，并做好必要的检查；最后，在日常维护工作中，还要制定详细的定期检查计划，定期对锅炉压力容器中的各个零部件进行更换。

3.7 提升操作人员的技能水平

从整体的角度来看，锅炉、压力容器、压力管道在运转过程中所出现的裂纹，其不仅是由于内外压力的影响而出现的，同时，也与工作人员自身的操作水平有着紧密联系。因此，为了有效降低裂纹的发生概率，就要重点提升操作人员的操作水平，确保锅炉在启动阶段到后续的停炉阶段，都能够实现平稳过渡，对炉内温度进行科学合理的控制，防止出现过冷或是过热等问题，以此大幅度降低因温度变化所引发的裂纹问题出现。所以，操作人员要严格按照规定要求来进行操作，确保锅炉能够处于良好的运转状态中，以此来有效延长锅炉的具体使用寿命，而相关工业企业也要提高锅炉操作工作的准入门槛，为那些刚刚入职的工作人员提供必要的技术培训，帮助其明确那些能引发裂纹出现的因素，以此进一步降低裂纹对锅炉压力容器产生的不良损害。