壓力容器及管道常見裂紋類型及其無損檢測技術(shù)

由于壓力容器及管道長期處于高溫高壓下運(yùn)行，一旦出現(xiàn)裂紋，將嚴(yán)重威脅工廠的正常生產(chǎn)和工作人員的生命安全，所以在加工過程中，一定要重視壓力容器及管道的裂紋檢測，確保壓力容器及管道的質(zhì)量滿足要求。合理應(yīng)用無損檢測技術(shù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)壓力容器的安全隱患，并結(jié)合其裂紋類型深入分析壓力容器及管道出現(xiàn)裂紋的原因，并采取有效的措施進(jìn)行預(yù)防，對于提升壓力容器及管道的質(zhì)量，進(jìn)一步促進(jìn)我國工業(yè)建設(shè)的發(fā)展意義重大。

應(yīng)力腐蝕裂紋是一種常見的裂紋類型，它與內(nèi)外應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用有關(guān)。常見于鍋爐汽水管道和容器座，主要綁扎在管道外。根據(jù)研究，由于熱水介質(zhì)對管道本身的影響，鍋爐系統(tǒng)長期運(yùn)行后，管道容易受到內(nèi)部熱水的定向腐蝕，流動的水介質(zhì)具有一定的壓力。當(dāng)管道外表面的壓力值超過該區(qū)域的應(yīng)力極，必然會引起壓力管道的外部變形和開裂。

機(jī)械疲勞裂紋常見于鍋爐輔助系統(tǒng)中的葉輪、葉片、軸等旋轉(zhuǎn)機(jī)械零件。這種裂紋形成主要包括兩個(gè)階段，具體分為長裂紋擴(kuò)展初期和切向裂紋形成后期。因此，機(jī)械疲勞裂紋的形成與鍋爐的運(yùn)行時(shí)間有關(guān)。在初始階段，主要表現(xiàn)為應(yīng)變響應(yīng)的積累，導(dǎo)致長的機(jī)械疲勞裂紋，具有明顯的外部特征。

由于高溫和應(yīng)力粘結(jié)的長期影響，壓力管道容易發(fā)生蠕變開裂，導(dǎo)致管道金屬結(jié)構(gòu)的破壞和管道部分區(qū)域的變形，降低了壓力管道的安全性。通常蠕變開裂多發(fā)生在集箱熱影響區(qū)、高溫蒸汽管、加熱膨脹管等區(qū)域 。蠕變特性非常明顯，裂紋方向多垂直于最大拉應(yīng)力，裂紋的走向通常比較曲折，出現(xiàn)裂紋的面積較大，且大部分裂紋平行排列，大部分主裂紋位于裂紋中間。蠕變問題也有一些細(xì)微的特征，比如蠕變孔洞，一些不規(guī)則的孔洞會分布在裂紋區(qū)域，而裂紋孔洞的形狀一般為橢圓形。此外，焊縫破損區(qū)域裂紋的排列相當(dāng)特殊，大部分與焊縫方向平行分布。裂紋會沿焊縫表面向焊縫內(nèi)容物擴(kuò)展，主裂紋兩側(cè)平行的微裂紋會沿晶粒分布并向主裂紋邊界擴(kuò)展，形成裂紋區(qū)。

目前我國使用的壓力容器及管道大多采用金屬板焊接，因此鍋爐承壓設(shè)備的焊接部位在承受壓力后容易產(chǎn)生裂紋，而裂紋產(chǎn)生的影響因素多集中在高溫環(huán)境下管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的降低，以及承受壓力后的熱裂紋現(xiàn)象。通常，鍋爐制造完成后，需要靜置冷卻后才能投入使用，而在制造鍋爐時(shí)，也會帶來冷裂紋，影響鍋爐運(yùn)行的安全性。由于焊接時(shí)氫元素會與基體組織接觸，在焊接冷卻時(shí)，奧氏體會慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)殍F元素，此時(shí)管道結(jié)構(gòu)中的氫元素會逐漸向中間靠近，在焊接冷卻時(shí)形成氫裂紋。

其次是加強(qiáng)生產(chǎn)制造管控。一方面，要嚴(yán)格核對設(shè)計(jì)圖紙。相應(yīng)的技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)具體的設(shè)計(jì)條件，對壓力管道設(shè)計(jì)圖紙的科學(xué)性和有效性進(jìn)行分析。另一方面，要提高生產(chǎn)人員的能力。在制造過程中，必須嚴(yán)格按照制造工藝或制造標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。在制造過程中，還需要對出料線中經(jīng)常出現(xiàn)的裂紋進(jìn)行分析，以提高出料線的質(zhì)量，減少裂紋的發(fā)生。

此外，還要加強(qiáng)鍋爐安裝過程中的質(zhì)量控制，對焊接的主要壓力部件進(jìn)行X射線檢測，找出焊接中各種情況產(chǎn)生的問題。一般問題應(yīng)予以修復(fù)，出現(xiàn)第二個(gè)不合格工件將被禁止使用。這項(xiàng)工作應(yīng)由當(dāng)?shù)劐仩t檢驗(yàn)人員監(jiān)督，只有膠片圖像合格后，才能順利進(jìn)行下一步工作。對接組裝合格的氣瓶及附件，完成總裝前的所有任務(wù)后需按生產(chǎn)工藝要求做好組裝記錄，鍋爐部件組裝調(diào)試前也需認(rèn)真填寫相關(guān)資料。

由于壓力容器及管道連續(xù)運(yùn)行且溫度較高，以及其他一些因素的影響，容易產(chǎn)生裂紋，所以應(yīng)嚴(yán)格控制溫度變化，并對運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行改善，如在生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)安置相應(yīng)的降溫設(shè)備，從而避免因?yàn)樯郎爻霈F(xiàn)裂紋。同時(shí)，在實(shí)際檢驗(yàn)過程中，如果溫度較高，也應(yīng)及時(shí)停止容器的運(yùn)行，及時(shí)進(jìn)行降溫處理，只有這樣，才能更好的控制裂紋問題的出現(xiàn)。 

射線法是檢測壓力管道焊縫的主要方法之一。其原理是利用缺陷與周圍金屬對射線的吸收率不同，使X射線或γ射線的透射強(qiáng)度發(fā)生變化，從而檢測缺陷及其位置。目前主要采用中心透照法對主管路環(huán)焊縫進(jìn)行射線探傷。輻射源安裝在自行式履帶車上。其主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，工作效率高。外部輻照設(shè)備用于焊接接頭和彎頭，返工和測試小直徑焊縫。目前，X射線膠片探傷主要用于高壓容器管道的焊接。

這種方法雖然比較直觀，但需要大量的膠片。而檢測工作很多會在野外或戶外完成，這使得拍攝和沖洗膠片變得更加困難，而且對人體有輻射危害，管道建設(shè)完成后還需要大量的空間存儲這些膠片，導(dǎo)致消耗大量的人力和物力。

伴隨DR（X射線數(shù)字成像）技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的成熟，國外已經(jīng)在部分壓力容器管道建設(shè)中采用DR技術(shù)取代膠片射線檢測。國內(nèi)管道環(huán)焊縫檢測方面，DR技術(shù)還沒有在管道工程中大規(guī)模應(yīng)用，僅在一些工程中進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)和小規(guī)模試用，目前在中俄東線工程準(zhǔn)備大規(guī)模推廣DR檢測技術(shù)，但還存在著設(shè)備投資成本高、裝備體積大、現(xiàn)場效率低于傳統(tǒng)膠片射線檢測、檢測數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一、無法現(xiàn)場上傳數(shù)據(jù)等問題。

  TOFD（超聲波衍射時(shí)差法）和相控陣檢測也都是超聲波檢測，但TOFD與傳統(tǒng)的超聲檢測區(qū)別是，TOFD是用超聲波的衍射波進(jìn)行檢測，超聲波檢測是用超聲波的反射波進(jìn)行檢測。衍射波檢測的特點(diǎn)是：靈敏度高，缺陷定位定深定高準(zhǔn)，無方向性可在任意位置接收，能在一定程度上確定缺陷性質(zhì)。

相控陣檢測技術(shù)和傳統(tǒng)手工超聲波檢測的原理相同，都是利用超聲波反射法對被檢工件進(jìn)行檢測，不同的是，傳統(tǒng)的超聲波檢測使用單件探頭來偏轉(zhuǎn)聲束。在某些情況下，雙晶片或單元件聚焦探頭也用于減少盲點(diǎn)和提高分辨率。但無論如何，超聲波場在介質(zhì)中以一個(gè)角度沿軸傳播。單角度掃描限制了不同方向的定性和定量超聲檢測的可能性。因此，最“有效”的標(biāo)準(zhǔn)需要使用多角度光束掃描來提高檢測速度。然而，對于復(fù)雜的幾何形狀、大壁厚或有限的探頭掃描空間難以實(shí)現(xiàn)檢測，因此需要多元件相控陣探頭和電子聚焦聲束來滿足上述情況下的檢測要求。相控陣探頭可實(shí)現(xiàn)角度偏轉(zhuǎn)和動態(tài)聚焦，這就使超聲波檢測從二維方向移動變成一維方向移動，可以外置編碼器以實(shí)現(xiàn)圖像存儲，經(jīng)過對A掃、B掃、C掃或D掃圖像的分析可有效地檢出各種面狀缺陷和體積型缺陷。檢測結(jié)果還可以三維圖像顯示，為缺陷定位、定量、定性、定級等提供了豐富的信息。與上述TOFD檢測技術(shù)一樣也可實(shí)現(xiàn)圖像存儲，這就為后續(xù)的復(fù)核與校驗(yàn)提供條件，使得檢測結(jié)果有效可查詢。