锅炉压力容器压力管道检验中裂纹的分析

锅炉压力容器压力管道检验中裂纹的分析

裂缝分析是失败分析的基础。通过裂纹分析可以判别裂源的位置、扩展的方向、开裂的性质、受力状态、环境条件等信息。锅炉压力容器压力管道检验的主要任务是通过检验发现承压件的缺陷,尤其是裂纹缺陷来预测其安全性能水平。受压件中隐藏的裂纹缺陷可能来自制造、加工、安装及运行等不同过程,它是各种缺陷中最不稳定的一种形式,是影响设备安全性能的主要因素。在裂纹分析中,宏观分析除用肉眼、放大镜观察外,还可应用无损检测和金相低倍检验方法来显示裂纹的形貌。微观分析主要应用光学显微镜、电子显微镜来判断裂纹的性质、断裂路径及微观特征。裂纹分类的方法目前尚不统一。按裂纹形成的先后可分为主裂纹与二次裂纹;按裂纹的途径可分为沿晶裂纹与穿晶裂纹;按裂纹区塑性变形的大小可分为脆性裂纹与塑性裂纹。习惯上按裂纹萌生与扩展的机理分类。1拉伸应力的进入阶段通过对本省内多数火电厂的检验结果分析,此种裂纹多发生在汽轮机大轴、叶轮、叶片及辅助转动机械上。疲劳裂纹通常在应变集中处形成,大多数起源于部件表面。宏观特征:疲劳裂纹初始阶段与拉伸应力轴呈45°的滑移面扩展,接着裂纹很快地开始进入与拉伸应力成90°的阶段。机械疲劳裂纹通常呈直线状,开始阶段裂纹短小,一般以隧道式向内扩展,如系多疲劳源。中间阶段当小裂纹逐步连接成一条长的裂纹后稳定向前扩展,后期阶段裂纹扩展加速,有时在部件的一侧会伴随出现宏观切向裂纹。机械疲劳裂纹通常起源于轴变径台阶、尖角、小孔、接头、加工刀痕、焊缝热影响区及材料缺陷处。微观特征:材料的结构、显微组织状态、受力条件、环境介质等因素均直接影响疲劳裂纹的萌生与扩展,情况比较复杂。疲劳裂纹开裂的区域无显著的塑性变形,形如脆性开裂;疲劳裂纹一般是穿晶的,发展趋势与主应力垂直,裂纹比较弯曲(高强度钢平直),在塑性疲劳痕中可观察到二次裂纹。接触机械疲劳裂纹开口较宽,开口处有严重的粘结斑坑,尾端锋利,裂纹两侧比较平整,深度较浅。2应力腐蚀开裂应力腐蚀裂纹系指构件在应力及腐蚀介质共同作用下形成的开裂。汽水管道、集箱管座是常见的应力腐蚀裂纹萌生的区域。奥氏体不锈钢是极易形成应力腐蚀的材料,在汽水介质工作条件下只要很小的应力就可引起应力腐蚀开裂,冷加工变形、振动、残余应力都可成为开裂的应力源。应力腐蚀裂纹基本上垂直于张应力,奥氏体不锈钢上裂纹呈落叶后的树枝状,裂纹有分枝特征,且尾部较尖。火电厂汽水管道应力腐蚀开裂多发生在弯管内壁中性层区,此种开裂实际上是腐蚀过程并受应力促进的局部腐蚀,或称由应力来导向的腐蚀。裂缝在弯管中性区呈带状沿轴向延伸,裂缝呈群状,一般较短、开口较宽而数量较多。应力腐蚀裂纹在微观形态上多呈“之”字形分枝,裂纹沿晶的、穿晶的,混晶的形式均有,同时具有由表面向内扩展的特性,裂纹起源处多呈不连续状。3压缩规则下氢脆断裂线的形成蠕变破坏是依赖于时间过程而产生的导致材料分离的一种独特方式,实际上是在温度与应力长期作用下,伴随着变形及金属组织损伤而产生的裂纹。宏观特征:蠕变裂纹的走向垂直于最大应力方向,在弯管上裂纹沿轴向分布。裂纹呈曲折发展,形成一个较宽的裂纹带,在带内主纹居中,主裂纹两侧有大量平行分布的裂纹。蠕变裂纹主要形成在管道、集箱的高应力应变区,如高温蒸汽管道弯管的外弧侧、集箱管座的角焊缝及热影响区、集箱孔桥区、过热胀粗管子表面及其它高温构件的边缘部位。微观特征:在蠕变损伤严重的宏观区域,金属通体内或多或少、无规则地形成许多米粒状或椭圆形孔洞,孔洞在晶界上进行无规则连接,最后形成蠕变裂纹。可以描述为:蠕变裂纹区域必有大量蠕变孔洞,而裂纹的扩展沿晶进行。在焊缝损伤区裂纹由外表面向内发展,分支走向平行于焊缝熔合线方向,在裂纹两侧及前沿通体处有断续的沿晶微裂纹,这些裂纹都平行于主裂纹的发展发向。4部件表面状态对热疲劳寿命的影响金属材料在低于拉伸强度极限的热交变应力的反复作用下,缓慢产生和扩展导致的突然断裂称为热疲劳破断,简称热疲劳。火力发电厂主要出现热疲劳损伤的部位有:喷水减温器、蒸汽管道的压力表管座、疏水管座、排汽管管座及汽包、集箱上非保护性结构管座等部位。宏观特征:热疲劳裂纹通常起源于部件表面,萌生在热应变最大的部位。部件上产生应变集中的缺口、刀痕、孔或结构不连续部位亦促使热疲劳裂纹的萌生,但不一定要有这些应变集中的条件,表面状态对热疲劳寿命影响不大。热疲劳裂纹的起源可以是多条或单条,常萌生多条裂纹,其中一条发展为主裂纹,其它裂纹因应力松弛不再扩展或扩展很慢。高温蒸汽管道内壁受热冲击形成的裂纹,多呈网状、簇状分布,主裂纹轴向扩展,如果系统应力过大亦可沿周向扩展。联箱或管道插管管口受热冲击形成的裂纹,沿管口呈放射性分布,裂纹一般开口较宽,相邻有大量的伴生微裂纹,表面受氧化物影响形态不明显。热疲劳裂纹宏观形态一般较粗短、有时呈细口状,表面氧化膜有线状、网状痕迹,痕迹下部就是热疲劳裂纹。微观形态:热疲劳裂纹的扩展极不规则,呈跳跃式,忽宽忽窄,有时还会产生分枝和二次裂纹,裂纹内氧化物疏松呈断续状。其扩展的方式有沿晶的也有穿晶的,在蠕变温度以下为穿晶扩展,在蠕变温度以上为沿晶扩展或混合型。5腐蚀疲劳特性腐蚀疲劳是火力发电厂在汽水工作条件下承压部件的另一种失效形式。常出现在汽包、集箱的管座上,这些管座除介质压力外还承受管系传递的振动应力,随着运行时间的延续,最终导致腐蚀疲劳断裂。宏观特征:腐蚀疲劳和一般疲劳及应力腐蚀裂纹有一定的区别,腐蚀疲劳裂纹大多亦是穿晶的,常成群产生。随着腐蚀疲劳过程的发展,裂纹宽度增加,裂缝内充满疏松腐蚀物,容器或管子内壁伴随有腐蚀坑、沟槽或通道。在断续扩展过程中常有分枝尾部较钝。微观特征:由于腐蚀疲劳是腐蚀介质和应力的疲劳作用,裂纹有明显的腐蚀破坏特征,如裂纹较宽,尾部不甚尖锐,裂纹是穿晶的。在不断的扩展过程常有分枝。开裂区从内壁形成深度、长度不一的裂纹群。后期有优先发展的主裂纹形成,而次生裂纹的发展受到抑制,在断口上可找到不明显的疲劳纹线。6过烧微观特征过热与过烧裂纹发生在承压部件的制造热加工过程中,如弯制、锻造、轧制、焊接及热处理等。过热是金属加热到上临界点Ac3后继续升温发生的,过烧则是金属加热温度很高,晶界氧化和局部熔化形成的沿晶裂纹。过烧的金属经不起变形,在轧制、弯制或锻制过程中产生裂纹或龟裂,从而给承压部件埋下隐患。宏观特征:过烧引起的龟裂表面有很多大小不等的破裂,可观察到熔化的痕迹或晶界严重氧化的特征,表面有大量裂纹和碎裂现象。微观特征:过热与过烧的显微组织既有联系又有区别,相同点是晶粒粗大、严重魏氏组织、晶界存在着微细圆球状MnS粒子沉淀等。而过烧的实质在于由于加热温度相当高,氧化性气体向晶界扩散,结果在晶粒之间形成易熔化合物薄膜,分布在晶粒表面。在显微镜下可观察到容易分辨的孔洞及粗大氧化晶界网络。7推高压力的压力容器压力管道焊缝的检验检测从裂纹分析的影响因素可以看出,裂纹形成的两个主导因素一是客观条件,主要是部件在服役过程的受力状态和环境条件。锅炉压力容器的承压件大都经过设计强度计算,在工况稳定条件下能够预示其使用寿命;但在局部受力条件下或不可预知的恶劣工作环境中,可做失效的方向性预测,则寿命时间难以预示。二是承压件材料的内在因素,即原材料的缺陷或薄弱环节,如大量的铸钢件缺陷、钢管的内外部缺陷。这些缺陷有可能在制造成型后保留在承压件上永远不会扩张,即稳定性缺陷。有些缺陷可能在承压件的工作条件影