沈 強(qiáng),袁 紅
(大連鍋爐壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)研究院有限公司,遼寧 大連 116016)
冶煉廠動(dòng)力車間鍋爐壓力容器定期檢驗(yàn)作為保障鍋爐運(yùn)行質(zhì)量的重要手段,通過定期檢驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)壓力容器中存在的大量缺陷,避免由于先天或后天缺陷帶來(lái)的壓力容器報(bào)廢造成的損失[1]。鍋爐壓力容器常見缺陷主要包括焊縫夾渣、變形、內(nèi)凹、錯(cuò)邊、腐蝕、電弧擦傷、裂紋、等表面缺陷,同時(shí)也包括未熔合、夾鎢、氣孔、未焊透、夾渣等內(nèi)部缺陷[2]。為保證鍋爐壓力容器使用質(zhì)量,因此提出冶煉廠動(dòng)力車間鍋爐壓力容器定期檢驗(yàn)中的常見缺陷處理。根據(jù)實(shí)際檢測(cè)需求,選擇聲波技術(shù)提出一種無(wú)損檢測(cè)方法,利用聲波與壓力容器間的相互作用,利用透射、反射以及散射等角度全面檢測(cè)鍋爐壓力容器的組織結(jié)構(gòu)及缺陷等,從而做到具有針對(duì)性的缺陷處理。
主要分析鍋爐壓力容器中存在裂紋構(gòu)件的平衡、擴(kuò)展與失衡現(xiàn)象,從中提取其強(qiáng)度與韌性指標(biāo),完成鍋爐壓力容器安全評(píng)估[3]。通過對(duì)鍋爐壓力容器在鍛造過程中產(chǎn)生的裂紋、氣孔、縮孔等缺陷,以及在使用與維護(hù)過程中產(chǎn)生的損傷與裂紋,按照缺陷存在的幾何特征,將缺陷分為埋藏缺陷、表面缺陷以及穿透缺陷三種,如圖1所示。
埋藏缺陷主要存在于壓力容器內(nèi)部,其投影檢測(cè)結(jié)果為橢圓片狀裂紋或圓片狀裂紋。表面缺陷位于壓力容器表面。其深度小于壓力容器厚度。而穿透缺陷則貫穿壓力容器厚度,一般將延伸至壓力容器厚度一半以上缺陷作為穿透缺陷處理。
圖1 鍋爐壓力容器產(chǎn)經(jīng)缺陷示意圖
根據(jù)鍋爐壓力容器壁厚與封頭壁厚計(jì)算公式,其筒體壁厚為:
球形封頭壁厚為:
其中,Pc為設(shè)備工作壓力,取值3.771MPa;φ為焊接接頭系數(shù),取值為1.0;[]σ為許用應(yīng)力,筒體取值為108.2MPa,球形封頭取值116.2MPa;Di為筒體或球形封頭內(nèi)直徑,筒體取值為4300mm,球形封頭取值4346mm;C2腐蝕量,按照鍋爐壓力容器腐蝕余量為3mm,使用年限為20年的壓力容器年腐蝕率為0.15mm/年,C2取值按照鍋爐壓力容器實(shí)際使用年份取值;σS與E分別為壓力容器屈服強(qiáng)度與彈性模量,根據(jù)《鋼制壓力容器》標(biāo)準(zhǔn),鍋爐壓力容器材料性能在常溫條件下屈服強(qiáng)度σ取值275MPa,彈性模量E取值206000MPa。在使用條件下屈服強(qiáng)度σ取值173.3MPa,彈性模量E取值178200MPa。
根據(jù)鍋爐壓力容器質(zhì)量規(guī)定,常見冶煉廠動(dòng)力車間鍋爐壓力容器焊接試板性能數(shù)據(jù),如表1所示:
表1 冶煉廠動(dòng)力車間鍋爐壓力容器焊接試板性能數(shù)據(jù)
根據(jù)壓力容器性能數(shù)據(jù),鍋爐壓力容器強(qiáng)度因子K為:
并根據(jù)鍋爐壓力各項(xiàng)系數(shù),得到容器表面裂紋為:
其中,a為壓力容器表面缺陷深度,mm;c為表面缺陷半長(zhǎng),mm;B為缺陷附近計(jì)算壁厚,mm。
而埋藏計(jì)算為:
其中,a為壓力容器埋藏缺陷半高,mm;c為埋藏缺陷半長(zhǎng),mm;B為缺陷附近殼體計(jì)算壁厚,mm;e為埋藏缺陷中心與板厚中心位移量,mm。
根據(jù)公式(3)鍋爐壓力容器缺陷常規(guī)評(píng)定使用斷裂比為:
其中,G為相鄰缺陷間彈塑性干涉效應(yīng)系數(shù),取值為1.0;Kp與Ks分別為兩組缺陷的應(yīng)力強(qiáng)度因子,用于評(píng)定材料斷裂韌度;Bp為塑性修正因子,取值為0。
其中,Pb為缺陷距板表面最近距離。
通過計(jì)算,得到鍋爐壓力容器不同類型缺陷函數(shù)。
根據(jù)鍋爐壓力容器缺陷函數(shù),缺陷出現(xiàn)后,受到均勻拉應(yīng)力的作用,其缺陷端附近應(yīng)力分量為:
其中,σx與σy分別為x,y方向的正應(yīng)力與剪應(yīng)力;θ缺陷尖端某一點(diǎn)極坐標(biāo)。
根據(jù)公式(8)、(9),裂紋尖端附近應(yīng)力不僅隨點(diǎn)的坐標(biāo)變化而變化,同時(shí)根據(jù)材料斷裂韌度的不同,其材料承受低壓脆性斷裂能力應(yīng)視具體材料不同而定。
因此,通過計(jì)算缺陷的Kr值與L值中的安全區(qū)域,確定σx與σy是否在Kr值與L構(gòu)成的評(píng)定區(qū)域(Kr,L)內(nèi),從而判斷缺陷的安全性。
在對(duì)缺陷情況評(píng)定后,根據(jù)壓力容器缺陷實(shí)際情況進(jìn)行處理,主要分為裂紋缺陷與腐蝕缺陷兩種。裂紋缺陷的處理上,對(duì)使用與焊接時(shí)產(chǎn)生的表面及接近表面裂紋采用打磨方式處理,根據(jù)鍋爐壓力容器材料選擇磁粉或滲透探傷,直至裂紋完全消除,必要時(shí)采用補(bǔ)焊處理。對(duì)于缺陷較大的局部腐蝕,可根據(jù)局部腐蝕深度與面積等,采用挖補(bǔ)、焊補(bǔ)、打磨或更換等相應(yīng)處理措施。
實(shí)驗(yàn)根據(jù)鍋爐壓力容器常見缺陷,設(shè)計(jì)某一現(xiàn)役冶煉廠動(dòng)力車間鍋爐壓力容器存在裂紋、腐蝕、泄漏、機(jī)械狀態(tài)以及機(jī)械噪聲五種狀態(tài)。分別獲取鍋爐壓力容器每種狀態(tài)下的50個(gè)樣本,其中包含每種狀態(tài)5個(gè)作為狀態(tài)類型判斷檢驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中測(cè)試數(shù)據(jù)樣本與訓(xùn)練樣本來(lái)自同一數(shù)據(jù)庫(kù),由同一數(shù)據(jù)集輸入與輸出構(gòu)成數(shù)據(jù)集合。實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組對(duì)同一鍋爐壓力容器缺陷處理,分析兩組處理結(jié)果滿意度與準(zhǔn)確度,如果結(jié)果與規(guī)定誤差程度較為相近則可以應(yīng)用到實(shí)際缺陷處理中。
兩組處理方法對(duì)實(shí)驗(yàn)鍋爐壓力容器缺陷處理后,其樣本處理結(jié)果如表2、3所示:
表2 對(duì)照組處理結(jié)果
表3 實(shí)驗(yàn)組處理結(jié)果
分析上表可以看出,對(duì)照組缺陷處理結(jié)果對(duì)正常狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確,而針對(duì)其他不同缺陷類型受到人為因素影響,泄漏、腐蝕、裂紋等缺陷檢測(cè)準(zhǔn)確率都不高,其檢測(cè)結(jié)果不僅存在檢測(cè)缺陷丟失,在部分檢測(cè)結(jié)果中同樣存在檢驗(yàn)處缺陷過多情況,處理結(jié)果誤差較大。而實(shí)驗(yàn)組缺陷處理結(jié)果相較于實(shí)驗(yàn)組,其正確識(shí)別率有了很大提升,且對(duì)不同缺陷處理識(shí)別率誤差較小,其檢測(cè)結(jié)果不會(huì)受到缺陷類型影響,整體處理結(jié)果較為準(zhǔn)確,從而證明冶煉廠動(dòng)力車間鍋爐壓力容器定期檢驗(yàn)中的常見缺陷處理有效性。
冶煉廠動(dòng)力車間鍋爐壓力容器定期檢驗(yàn)中的常見缺陷處理主要針對(duì)壓力容器中常見的變形、泄漏、腐蝕以及裂紋等常見缺陷,實(shí)現(xiàn)無(wú)損精準(zhǔn)探測(cè)。根據(jù)實(shí)際缺陷處理需求,建立精準(zhǔn)缺陷探測(cè),相對(duì)于傳統(tǒng)處理方法能夠更好保留缺陷信息細(xì)節(jié)。而在處理過程中,仍需要借助人工經(jīng)驗(yàn)對(duì)缺陷處理結(jié)果做出判斷,針對(duì)缺陷的不同需要采取相應(yīng)解決方法,達(dá)到快速、有效處理缺陷的目的。