鍋爐壓力容器壓力管道檢驗中裂紋的分析

鍋爐壓力容器壓力管道檢驗中裂紋的分析

裂縫分析是失敗分析的基礎(chǔ)。通過裂紋分析可以判別裂源的位置、擴展的方向、開裂的性質(zhì)、受力狀態(tài)、環(huán)境條件等信息。鍋爐壓力容器壓力管道檢驗的主要任務(wù)是通過檢驗發(fā)現(xiàn)承壓件的缺陷,尤其是裂紋缺陷來預(yù)測其安全性能水平。受壓件中隱藏的裂紋缺陷可能來自制造、加工、安裝及運行等不同過程,它是各種缺陷中最不穩(wěn)定的一種形式,是影響設(shè)備安全性能的主要因素。在裂紋分析中,宏觀分析除用肉眼、放大鏡觀察外,還可應(yīng)用無損檢測和金相低倍檢驗方法來顯示裂紋的形貌。微觀分析主要應(yīng)用光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡來判斷裂紋的性質(zhì)、斷裂路徑及微觀特征。裂紋分類的方法目前尚不統(tǒng)一。按裂紋形成的先后可分為主裂紋與二次裂紋;按裂紋的途徑可分為沿晶裂紋與穿晶裂紋;按裂紋區(qū)塑性變形的大小可分為脆性裂紋與塑性裂紋。習(xí)慣上按裂紋萌生與擴展的機理分類。1拉伸應(yīng)力的進(jìn)入階段通過對本省內(nèi)多數(shù)火電廠的檢驗結(jié)果分析,此種裂紋多發(fā)生在汽輪機大軸、葉輪、葉片及輔助轉(zhuǎn)動機械上。疲勞裂紋通常在應(yīng)變集中處形成,大多數(shù)起源于部件表面。宏觀特征:疲勞裂紋初始階段與拉伸應(yīng)力軸呈45°的滑移面擴展,接著裂紋很快地開始進(jìn)入與拉伸應(yīng)力成90°的階段。機械疲勞裂紋通常呈直線狀,開始階段裂紋短小,一般以隧道式向內(nèi)擴展,如系多疲勞源。中間階段當(dāng)小裂紋逐步連接成一條長的裂紋后穩(wěn)定向前擴展,后期階段裂紋擴展加速,有時在部件的一側(cè)會伴隨出現(xiàn)宏觀切向裂紋。機械疲勞裂紋通常起源于軸變徑臺階、尖角、小孔、接頭、加工刀痕、焊縫熱影響區(qū)及材料缺陷處。微觀特征:材料的結(jié)構(gòu)、顯微組織狀態(tài)、受力條件、環(huán)境介質(zhì)等因素均直接影響疲勞裂紋的萌生與擴展,情況比較復(fù)雜。疲勞裂紋開裂的區(qū)域無顯著的塑性變形,形如脆性開裂;疲勞裂紋一般是穿晶的,發(fā)展趨勢與主應(yīng)力垂直,裂紋比較彎曲(高強度鋼平直),在塑性疲勞痕中可觀察到二次裂紋。接觸機械疲勞裂紋開口較寬,開口處有嚴(yán)重的粘結(jié)斑坑,尾端鋒利,裂紋兩側(cè)比較平整,深度較淺。2應(yīng)力腐蝕開裂應(yīng)力腐蝕裂紋系指構(gòu)件在應(yīng)力及腐蝕介質(zhì)共同作用下形成的開裂。汽水管道、集箱管座是常見的應(yīng)力腐蝕裂紋萌生的區(qū)域。奧氏體不銹鋼是極易形成應(yīng)力腐蝕的材料,在汽水介質(zhì)工作條件下只要很小的應(yīng)力就可引起應(yīng)力腐蝕開裂,冷加工變形、振動、殘余應(yīng)力都可成為開裂的應(yīng)力源。應(yīng)力腐蝕裂紋基本上垂直于張應(yīng)力,奧氏體不銹鋼上裂紋呈落葉后的樹枝狀,裂紋有分枝特征,且尾部較尖?；痣姀S汽水管道應(yīng)力腐蝕開裂多發(fā)生在彎管內(nèi)壁中性層區(qū),此種開裂實際上是腐蝕過程并受應(yīng)力促進(jìn)的局部腐蝕,或稱由應(yīng)力來導(dǎo)向的腐蝕。裂縫在彎管中性區(qū)呈帶狀沿軸向延伸,裂縫呈群狀,一般較短、開口較寬而數(shù)量較多。應(yīng)力腐蝕裂紋在微觀形態(tài)上多呈“之”字形分枝,裂紋沿晶的、穿晶的,混晶的形式均有,同時具有由表面向內(nèi)擴展的特性,裂紋起源處多呈不連續(xù)狀。3壓縮規(guī)則下氫脆斷裂線的形成蠕變破壞是依賴于時間過程而產(chǎn)生的導(dǎo)致材料分離的一種獨特方式,實際上是在溫度與應(yīng)力長期作用下,伴隨著變形及金屬組織損傷而產(chǎn)生的裂紋。宏觀特征:蠕變裂紋的走向垂直于最大應(yīng)力方向,在彎管上裂紋沿軸向分布。裂紋呈曲折發(fā)展,形成一個較寬的裂紋帶,在帶內(nèi)主紋居中,主裂紋兩側(cè)有大量平行分布的裂紋。蠕變裂紋主要形成在管道、集箱的高應(yīng)力應(yīng)變區(qū),如高溫蒸汽管道彎管的外弧側(cè)、集箱管座的角焊縫及熱影響區(qū)、集箱孔橋區(qū)、過熱脹粗管子表面及其它高溫構(gòu)件的邊緣部位。微觀特征:在蠕變損傷嚴(yán)重的宏觀區(qū)域,金屬通體內(nèi)或多或少、無規(guī)則地形成許多米粒狀或橢圓形孔洞,孔洞在晶界上進(jìn)行無規(guī)則連接,最后形成蠕變裂紋?？梢悦枋鰹?蠕變裂紋區(qū)域必有大量蠕變孔洞,而裂紋的擴展沿晶進(jìn)行。在焊縫損傷區(qū)裂紋由外表面向內(nèi)發(fā)展,分支走向平行于焊縫熔合線方向,在裂紋兩側(cè)及前沿通體處有斷續(xù)的沿晶微裂紋,這些裂紋都平行于主裂紋的發(fā)展發(fā)向。4部件表面狀態(tài)對熱疲勞壽命的影響金屬材料在低于拉伸強度極限的熱交變應(yīng)力的反復(fù)作用下,緩慢產(chǎn)生和擴展導(dǎo)致的突然斷裂稱為熱疲勞破斷,簡稱熱疲勞。火力發(fā)電廠主要出現(xiàn)熱疲勞損傷的部位有:噴水減溫器、蒸汽管道的壓力表管座、疏水管座、排汽管管座及汽包、集箱上非保護(hù)性結(jié)構(gòu)管座等部位。宏觀特征:熱疲勞裂紋通常起源于部件表面,萌生在熱應(yīng)變最大的部位。部件上產(chǎn)生應(yīng)變集中的缺口、刀痕、孔或結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位亦促使熱疲勞裂紋的萌生,但不一定要有這些應(yīng)變集中的條件,表面狀態(tài)對熱疲勞壽命影響不大。熱疲勞裂紋的起源可以是多條或單條,常萌生多條裂紋,其中一條發(fā)展為主裂紋,其它裂紋因應(yīng)力松弛不再擴展或擴展很慢。高溫蒸汽管道內(nèi)壁受熱沖擊形成的裂紋,多呈網(wǎng)狀、簇狀分布,主裂紋軸向擴展,如果系統(tǒng)應(yīng)力過大亦可沿周向擴展。聯(lián)箱或管道插管管口受熱沖擊形成的裂紋,沿管口呈放射性分布,裂紋一般開口較寬,相鄰有大量的伴生微裂紋,表面受氧化物影響形態(tài)不明顯。熱疲勞裂紋宏觀形態(tài)一般較粗短、有時呈細(xì)口狀,表面氧化膜有線狀、網(wǎng)狀痕跡,痕跡下部就是熱疲勞裂紋。微觀形態(tài):熱疲勞裂紋的擴展極不規(guī)則,呈跳躍式,忽寬忽窄,有時還會產(chǎn)生分枝和二次裂紋,裂紋內(nèi)氧化物疏松呈斷續(xù)狀。其擴展的方式有沿晶的也有穿晶的,在蠕變溫度以下為穿晶擴展,在蠕變溫度以上為沿晶擴展或混合型。5腐蝕疲勞特性腐蝕疲勞是火力發(fā)電廠在汽水工作條件下承壓部件的另一種失效形式。常出現(xiàn)在汽包、集箱的管座上,這些管座除介質(zhì)壓力外還承受管系傳遞的振動應(yīng)力,隨著運行時間的延續(xù),最終導(dǎo)致腐蝕疲勞斷裂。宏觀特征:腐蝕疲勞和一般疲勞及應(yīng)力腐蝕裂紋有一定的區(qū)別,腐蝕疲勞裂紋大多亦是穿晶的,常成群產(chǎn)生。隨著腐蝕疲勞過程的發(fā)展,裂紋寬度增加,裂縫內(nèi)充滿疏松腐蝕物,容器或管子內(nèi)壁伴隨有腐蝕坑、溝槽或通道。在斷續(xù)擴展過程中常有分枝尾部較鈍。微觀特征:由于腐蝕疲勞是腐蝕介質(zhì)和應(yīng)力的疲勞作用,裂紋有明顯的腐蝕破壞特征,如裂紋較寬,尾部不甚尖銳,裂紋是穿晶的。在不斷的擴展過程常有分枝。開裂區(qū)從內(nèi)壁形成深度、長度不一的裂紋群。后期有優(yōu)先發(fā)展的主裂紋形成,而次生裂紋的發(fā)展受到抑制,在斷口上可找到不明顯的疲勞紋線。6過燒微觀特征過熱與過燒裂紋發(fā)生在承壓部件的制造熱加工過程中,如彎制、鍛造、軋制、焊接及熱處理等。過熱是金屬加熱到上臨界點Ac3后繼續(xù)升溫發(fā)生的,過燒則是金屬加熱溫度很高,晶界氧化和局部熔化形成的沿晶裂紋。過燒的金屬經(jīng)不起變形,在軋制、彎制或鍛制過程中產(chǎn)生裂紋或龜裂,從而給承壓部件埋下隱患。宏觀特征:過燒引起的龜裂表面有很多大小不等的破裂,可觀察到熔化的痕跡或晶界嚴(yán)重氧化的特征,表面有大量裂紋和碎裂現(xiàn)象。微觀特征:過熱與過燒的顯微組織既有聯(lián)系又有區(qū)別,相同點是晶粒粗大、嚴(yán)重魏氏組織、晶界存在著微細(xì)圓球狀MnS粒子沉淀等。而過燒的實質(zhì)在于由于加熱溫度相當(dāng)高,氧化性氣體向晶界擴散,結(jié)果在晶粒之間形成易熔化合物薄膜,分布在晶粒表面。在顯微鏡下可觀察到容易分辨的孔洞及粗大氧化晶界網(wǎng)絡(luò)。7推高壓力的壓力容器壓力管道焊縫的檢驗檢測從裂紋分析的影響因素可以看出,裂紋形成的兩個主導(dǎo)因素一是客觀條件,主要是部件在服役過程的受力狀態(tài)和環(huán)境條件。鍋爐壓力容器的承壓件大都經(jīng)過設(shè)計強度計算,在工況穩(wěn)定條件下能夠預(yù)示其使用壽命;但在局部受力條件下或不可預(yù)知的惡劣工作環(huán)境中,可做失效的方向性預(yù)測,則壽命時間難以預(yù)示。二是承壓件材料的內(nèi)在因素,即原材料的缺陷或薄弱環(huán)節(jié),如大量的鑄鋼件缺陷、鋼管的內(nèi)外部缺陷。這些缺陷有可能在制造成型后保留在承壓件上永遠(yuǎn)不會擴張,即穩(wěn)定性缺陷。有些缺陷可能在承壓件的工作條件影