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压力容器及管道常见裂纹类型及其无损检测技术

发布时间: 2022-12-27  点击次数: 105次


由于压力容器及管道长期处于高温高压下运行,一旦出现裂纹,将严重威胁工厂的正常生产和工作人员的生命安全,所以在加工过程中,一定要重视压力容器及管道的裂纹检测,确保压力容器及管道的质量满足要求。合理应用无损检测技术及时发现压力容器的安全隐患,并结合其裂纹类型深入分析压力容器及管道出现裂纹的原因,并采取有效的措施进行预防,对于提升压力容器及管道的质量,进一步促进我国工业建设的发展意义重大。

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压力容器及管道常见裂纹类型




应力腐蚀裂纹




应力腐蚀裂纹是一种常见的裂纹类型,它与内外应力和腐蚀介质的共同作用有关。常见于锅炉汽水管道和容器座,主要绑扎在管道外。根据研究,由于热水介质对管道本身的影响,锅炉系统长期运行后,管道容易受到内部热水的定向腐蚀,流动的水介质具有一定的压力。当管道外表面的压力值超过该区域的应力极必然会引起压力管道的外部变形和开裂。



机械疲劳裂纹




机械疲劳裂纹常见于锅炉辅助系统中的叶轮、叶片、轴等旋转机械零件。这种裂纹形成主要包括两个阶段,具体分为长裂纹扩展初期和切向裂纹形成后期。因此,机械疲劳裂纹的形成与锅炉的运行时间有关。在初始阶段,主要表现为应变响应的积累,导致长的机械疲劳裂纹,具有明显的外部特征。



蠕变裂纹




由于高温和应力粘结的长期影响,压力管道容易发生蠕变开裂,导致管道金属结构的破坏和管道部分区域的变形,降低了压力管道的安全性。通常蠕变开裂多发生在集箱热影响区、高温蒸汽管、加热膨胀管等区域 。蠕变特性非常明显,裂纹方向多垂直于最大拉应力,裂纹的走向通常比较曲折,出现裂纹的面积较大,且大部分裂纹平行排列,大部分主裂纹位于裂纹中间。蠕变问题也有一些细微的特征,比如蠕变孔洞,一些不规则的孔洞会分布在裂纹区域,而裂纹孔洞的形状一般为椭圆形。此外,焊缝破损区域裂纹的排列相当特殊,大部分与焊缝方向平行分布。裂纹会沿焊缝表面向焊缝内容物扩展,主裂纹两侧平行的微裂纹会沿晶粒分布并向主裂纹边界扩展,形成裂纹区。



焊接裂纹




目前我国使用的压力容器及管道大多采用金属板焊接,因此锅炉承压设备的焊接部位在承受压力后容易产生裂纹,而裂纹产生的影响因素多集中在高温环境下管道结构强度的降低,以及承受压力后的热裂纹现象。通常,锅炉制造完成后,需要静置冷却后才能投入使用,而在制造锅炉时,也会带来冷裂纹,影响锅炉运行的安全性。由于焊接时氢元素会与基体组织接触,在焊接冷却时,奥氏体会慢慢转变为铁元素,此时管道结构中的氢元素会逐渐向中间靠近,在焊接冷却时形成氢裂纹。



预防措施



提高生产材料和制造的科学性



其一是加强生产资料管控。高压管道长期处于高强度运行状态,因此对自身材料的要求比较高。采购人员必须加强选材及分析,选择可靠的大型供应商,以匹配管材压力。


其次是加强生产制造管控。一方面,要严格核对设计图纸。相应的技术人员应根据具体的设计条件,对压力管道设计图纸的科学性和有效性进行分析。另一方面,要提高生产人员的能力。在制造过程中,必须严格按照制造工艺或制造标准进行。在制造过程中,还需要对出料线中经常出现的裂纹进行分析,以提高出料线的质量,减少裂纹的发生。



增强质量控制



加强锅炉的有效质量控制也非常重要。因此,在测试锅炉管道系统的过程中,应建立可靠的互检程序和自检程序,并建立严格的监控系统。一旦出现问题,可以迅速制定出一套有效的解决方案,同时可以将检查中出现裂纹的可能性减少


此外,还要加强锅炉安装过程中的质量控制,对焊接的主要压力部件进行X射线检测,找出焊接中各种情况产生的问题。一般问题应予以修复,出现第二个不合格工件将被禁止使用。这项工作应由当地锅炉检验人员监督,只有胶片图像合格后,才能顺利进行下一步工作。对接组装合格的气瓶及附件,完成总装前的所有任务后需按生产工艺要求做好组装记录,锅炉部件组装调试前也需认真填写相关资料。



加强温度控制




由于压力容器及管道连续运行且温度较高,以及其他一些因素的影响,容易产生裂纹,所以应严格控制温度变化,并对运行环境进行改善,如在生产区域内安置相应的降温设备,从而避免因为升温出现裂纹。同时,在实际检验过程中,如果温度较高,也应及时停止容器的运行,及时进行降温处理,只有这样,才能更好的控制裂纹问题的出现。 



强化裂纹区域的控制



在采取防护措施时,可将冷裂纹作为裂纹防护的依据。为了帮助增加管道的延展性,可以使用碱性覆盖电极来抑制管道中氢分子的含量。在这个过程中,必须严格按照有关标准和规定进行应力分布,加强焊后热处理,降低金属的冷却速率。在对管道进行焊接前,需要智能地使用预热技术。焊接工作完成后,必须验收。开启缓冷模式,确保焊材干燥。在焊接过程中,必须清除接头中的污染物。焊接完成后,必须根据焊接情况采取适当措施去除氢分子。


压力容器管道裂纹检验常用无损检测技术




超声波检测技术



超声波检测技术是利用频率高于20KHz的声波进行检测,如果工件中存在缺陷,那么缺陷和金属材料中一定会形成一个不同介质的交界面,交界面之间的声阻抗不同,当发射的超声波遇到这个界面之后,就会发生反射,反射回来的能量又被探头接受到,我们根据这个反射信号在屏幕中的位置对被检工件进行评定。
这种检测技术被广泛应用到压力容器和压力管道的裂纹检测。为提升其检测效果,在应用该技术时要掌握以下要点:
(1) 超声波检测受表面耦合好坏限制较大,被检工件表面需处理的平滑光洁,探头表面不能有异物;
(2) 若缺陷在工件中存在的角度与探头释放超声波的角度一致或相近,可能造成回波信号很弱甚至检测不到回波信号,所以检测高温高压高危介质管线容器时尽量在检测过程中选择多角度探头进行检测;
(3) 裂纹反射回波的波峰多尖锐,很多裂纹信号的端角还会产生分叉信号,虽然能从经验上初步判断缺陷性质,但从原理上无法识别缺陷信号是否一定为裂纹信号,在确定缺陷性质时,可采用其他无损检测手段验证缺陷性质,如X射线/γ射线检测。 

X射线/γ射线检测




射线法是检测压力管道焊缝的主要方法之一。其原理是利用缺陷与周围金属对射线的吸收率不同,使X射线或γ射线的透射强度发生变化,从而检测缺陷及其位置。目前主要采用中心透照法对主管路环焊缝进行射线探伤。辐射源安装在自行式履带车上。其主要优点是灵敏度高,工作效率高。外部辐照设备用于焊接接头和弯头,返工和测试小直径焊缝。目前,X射线胶片探伤主要用于高压容器管道的焊接。

这种方法虽然比较直观,但需要大量的胶片。而检测工作很多会在野外或户外完成,这使得拍摄和冲洗胶片变得更加困难,而且对人体有辐射危害,管道建设完成后还需要大量的空间存储这些胶片,导致消耗大量的人力和物力。

伴随DR(X射线数字成像)技术在工业领域应用的成熟,国外已经在部分压力容器管道建设中采用DR技术取代胶片射线检测。国内管道环焊缝检测方面,DR技术还没有在管道工程中大规模应用,仅在一些工程中进行了工业试验和小规模试用,目前在中俄东线工程准备大规模推广DR检测技术,但还存在着设备投资成本高、装备体积大、现场效率低于传统胶片射线检测、检测数据格式不统一、无法现场上传数据等问题。


射线法对于裂纹的检测多数是比较直观的,可以解决超声波检测中无法确定缺陷性质的问题。射线法检测裂纹需要注意以下几点:
(1) X射线检测在保证穿透力的前提下,尽量遵循低电压长时间原则,以保证灵敏度;
(2) γ射线检测中应根据标准采用高质量底片;
(3) 暗室处理中洗片药水应该一定时间或洗一定片数后进行更换,不能为了节约成本,虽然洗片数量不多,但长时间存放后再洗片,影响底片质量。 

TOFD和相控阵检测




  TOFD(超声波衍射时差法)和相控阵检测也都是超声波检测,但TOFD与传统的超声检测区别是,TOFD是用超声波的衍射波进行检测,超声波检测是用超声波的反射波进行检测。衍射波检测的特点是:灵敏度高,缺陷定位定深定高准,无方向性可在任意位置接收,能在一定程度上确定缺陷性质。

相控阵检测技术和传统手工超声波检测的原理相同,都是利用超声波反射法对被检工件进行检测,不同的是,传统的超声波检测使用单件探头来偏转声束。在某些情况下,双晶片或单元件聚焦探头也用于减少盲点和提高分辨率。但无论如何,超声波场在介质中以一个角度沿轴传播。单角度扫描限制了不同方向的定性和定量超声检测的可能性。因此,最“有效"的标准需要使用多角度光束扫描来提高检测速度。然而,对于复杂的几何形状、大壁厚或有限的探头扫描空间难以实现检测,因此需要多元件相控阵探头和电子聚焦声束来满足上述情况下的检测要求。相控阵探头可实现角度偏转和动态聚焦,这就使超声波检测从二维方向移动变成一维方向移动,可以外置编码器以实现图像存储,经过对A扫、B扫、C扫或D扫图像的分析可有效地检出各种面状缺陷和体积型缺陷。检测结果还可以三维图像显示,为缺陷定位、定量、定性、定级等提供了丰富的信息。与上述TOFD检测技术一样也可实现图像存储,这就为后续的复核与校验提供条件,使得检测结果有效可查询。




结束语



我国涉及工业生产的压力容器和管道越来越多,运行条件相当苛刻,长期处于高温高压作用下,会导致安全隐患,一旦出现裂纹则在后期使用中可能导致爆炸事故,所以需要重视压力容器及管道的裂纹检测工作,深入分析产生压力容器及管道裂纹的原因,并采取有效的措施控制压力容器及管道裂纹。为提升设备质量、规范人员操作,在应用检测技术时要采用先进的无损检测技术,并掌握其检测要点,合理选用检测方法,确保检测结果的准确度和工业生产的安全性,进一步促进我国工业化的发展。



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