基于失效模式的在用压力容器检验分析

张毅

（克拉玛依市特种设备安全检验所，新疆 克拉玛依 834000）

基于失效模式的在用压力容器检验分析

张毅

（克拉玛依市特种设备安全检验所，新疆 克拉玛依 834000）

失效分析是一门专业的技术，其在在用压力容器检验中的应用可及时发现压力容器存在的缺陷，从而防止了安全事故的发生并延长了压力容器的使用寿命。本文首先介绍压力容器失效模式的分类，然后进一步分析基于失效模式的在用压力容器检验。

在用压力容器；检验；失效模式

在制造工艺、环境条件等因素的影响下，在用压力容器将不可避免地出现磨损、断裂、变形、腐蚀和泄漏等失效现象，而通过分析这些失效现象，可为在用压力容器的检验提供可靠依据。据此，本文浅析一种基于失效模式的在用压力容器检验方案。

1 失效模式

对于在用压力容器，其失效模式一般可分为磨损、断裂、变形、腐蚀和泄漏失效等，具体表现如下：一是塑性破裂，其发生于塑性变形后，即截面材料在超载后进入屈服状态，并在完全变形后发生塑性破裂；二是脆性破裂，其发生于容器壁应力比材料强度极限或屈服强度低的条件下，且一般会经历开裂、裂纹扩展阶段，而造成脆性破裂的原因是材料的韧性低；三是疲劳破裂，其发生的条件包括局部应力较高、载荷反复，其中快开门式压力容器的疲劳破裂率尤其高；四是腐蚀与冲蚀，其中腐蚀包括大气、冷却水、电化学、微生物、CO2、土壤及碱腐蚀等，而冲蚀是一种固、液、气等介质在相对运动中引起的壳体表面材料移除现象，注意在压力容器腐蚀失效中，应力腐蚀、腐蚀疲劳和氢致开裂等的占比超过50%，则应将其视作重点的防腐对象；五是氢损伤，其作为应力腐蚀的一种形式，包括氢诱导裂纹、氢鼓包、氢腐蚀和氢脆，其中氢脆又包括氢致滞后开裂和氢致塑性损失；六是蠕变，其是材料在载荷和高温条件下发生的塑性变形现象，其中温度条件尤为关键，一般要求达到材料熔点的25%～35%，如一般碳钢超过300℃合金钢超过400℃才有蠕变行为。

综上，压力容器失效的表现形式多样，且成因和影响范围更有不同，对其的分析可为在用压力容器的检验提供可靠依据。

2 基于失效模式的在用压力容器检验

图1所示为基于失效模式的在用压力容器检验方案框图。

图1 基于失效模式的在用压力容器检验方案框图

结合图1，基于失效模式的在用压力容器检验主要包括如下内容。

2.1 资料审查

在资料审查中，其审查内容包括：一是核查材质，以判断其与工作介质、设计温度、设计压力等工艺流程要求及抗腐蚀、抗高低温、韧性、强度等性能要求相符与否；二是核查介质，即通过分析介质分组与杂质来判断其发生应力腐蚀的概率；三是结合压力容器的操作温度和载荷变化来判断其发生低温脆断、蠕变和腐蚀疲劳的概率；四是审查压力容器的操作条件变化、启停及运行记录等，以判断其是否存在超压失稳、化学爆炸和过量充装等隐患。

2.2 宏观检验

宏观检验是一种肉眼观察法，其中会用到内窥镜、放大镜或灯光，包括先用木锤或250g重的铜锤来轻敲压力容器器壁，再通过音响检查、目视检查来判断压力容器存在机械损伤、鼓包、变形、凹陷、腐蚀和裂纹等危害性缺陷与否。在实际应用中，一般可先按温度和介质情况来重点检查压力容器的危害性缺陷，再据此确定压力容器的重点检验点，如容器底部及其封头等易发生固体沉积或液体滞留等问题；容器内支承及胀接结构等易在连接结构中出现缝隙死角；开孔、T型焊结构及焊接交叉等易出现应力集中；热水塔底及热交换器为压力容器的液相、气相交界处；容器内局部过热点的温差变化较大；检查不锈钢衬及焊堆是否存有腐蚀产物等。

表1 金相分析的适用范围

2.3 超声波测厚

超声波测厚是一种检测压力容器内壁腐蚀的手段，其测量部位一般选在液位频繁波动处、机械损伤处、表面缺陷检查可疑处及易受冲蚀、磨损、腐蚀的部位等。在这一检测过程中，超声测厚仪的使用需注意对待测工件温度进行控制及对材料声速进行修正。超声波测厚一般应与上一次测厚结果、原始壁厚进行比较。

2.4 表面缺陷检测

裂纹是压力容器中危险性最大的缺陷。但肉眼的灵敏度有限，因此在压力容器表面检测中，建议采用渗透检测法和磁粉检测法。其中，磁粉检测法具有成本低、效率高和灵敏度高等优点，则在低合金钢、碳钢等铁磁性材质的表面和近表面缺陷检测时，优先选磁粉检测法；在空间有限或有色金属、不锈钢等非铁磁性材质的表面开口缺陷检测中，优先选渗透检测，注意所选渗透剂不得损坏压力容器的本体材质。此外，若无法在压力容器内壁开展表面检测及其设有隔热耐磨衬，且存在应力腐蚀倾向，建议从外壁来检测内壁是否存在应力腐蚀裂纹，其中会用到超声波检测法，注意对于低温或存在应力腐蚀倾向的压力容器，建议选用湿荧光磁粉来检测其内壁。在压力容器表面检测中，除了对热影响区和焊缝进行检测外，还应对焊迹、焊疤和工卡具进行检测。

2.5 埋藏缺陷检测

埋藏缺陷检测的常用方法包括超声检测、射线检测，但在实际应用中，需注意以下几个方面：一是优选超声波检测法，因为其在降低成本、提高效率和危险缺陷检测率上的作用更为明显；二是在有色金属、不锈钢制压力容器焊接接头的无损检测中，优选射线检测；三是对于高压的厚壁压力容器，一旦超声波检测出危险性缺陷，则需更换不同K值的探头及对其进行复验。

2.6 光谱与金相分析

光谱与金相分析的适用对象有所差异，其中光谱分析适用于合金钢或材质不明的压力容器中，而金相分析的适用范围如表1所示。

2.7 其他

在在用压力容器检测中，超声检测中相控阵技术、TOFD技术、导波技术、红外、声发射等也具有一定的应用价值。其中，对裂纹类面状缺陷检测方面，TOFD技术具有较高的敏感度，且可将焊接接头内的缺陷以图像形式进行显示和存储，因此TOFD技术适用于大厚壁压力容器中；声发射检测技术可测出压力容器缺陷在受载荷条件下的活动性，常用于定期检验在用大型储罐和球罐，即按缺陷活动性信号来给出压力容器的返修要求，从而缩短了停产检验的时间。

3 结语

综上所述，在用压力容器的失效模式包括磨损、腐蚀、断裂、泄漏、失稳和材质恶化等，通过对这些失效模式进行分析，可判定压力容器存在的缺陷。为在用压力容器的检验提供可靠依据。但在在用压力容器检验中，需针对每一种缺陷的具体情况选择最佳的检验方法，具体如下：塑性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、腐蚀疲劳和应力腐蚀采用宏观检验、渗透检测或磁粉检测法；蠕变断裂采用宏观检验和金相分析法，并在必要时采用光谱分析法，以判断材质的使用情况；冲蚀和失稳等采用宏观检验法和超声波测厚；晶界腐蚀和氢损伤采用宏观检验、渗透检测或磁粉检测和金相分析法；泄漏通过宏观检验来确定其气密性。总之，基于失效模式的在用压力容器检验是一项复杂的工作，但其在保证压力容器的使用安全上具有重要作用，因此应重视对其的研究。

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1671-0711（2017）01（下）-0080-02