论文部分内容阅读
摘要：承压类特种设备检验时，有时应用现有无损检测手段不能发现危险的缺陷。文中首次提出断层解剖检验。断层解剖检验将样品断层解剖，并逐层检验样品的缺陷。断层解剖检验可以发现缺陷在不同断面上的形态、尺寸、位置、特点、成因、危害以及多个缺陷相互关系。断层解剖检验发现了封头上被认为是夹层的缺陷是HB、HIC和SSCC。断层解剖检验是工业CT等三维成像检验技术的基础。
关键词：断层解剖；断口检验；氢致开裂；夹层
1、断层解剖检验
1.1定义
断层解剖检验是指在检验人员对特种设备安全存在重大怀疑时，且现有无损检测手段不能进行必要的定性、定量检测时，按相关规定对在用特种设备进行取样，按一定规律解剖制取样品，对样品上的缺陷在不同断面上的形态、位置、特点、成因、危害以及多个缺陷相互关系进行检验。
1.2操作方法
特种设备进行取样后，一般采用慢走丝线切割，对样品按需要的角度和间隔进行解剖，解剖后进行扫描、金相、扫描电镜等必要检测。
特种设备取样后一般采用堆焊、焊管或挖补的方法修复。取样时可以通过取样模转孔取样，也可以用套式内沉孔锪刀、复合锪刀或者便携式镗床等设备在现场取样。取样后堆焊，或者将剩下的开孔部位加工成双面坡口，采用挖补方法时，用相同材质和厚度的钢板制成与开孔大小相等、曲率一致、坡口对应的补板，采用适合的焊接工艺，双面对接焊方法将其补焊在开孔部位；采用接管方法时，在开孔部位焊接接管，类似于制造时焊接接管的方法，必要时按设计进行补强，焊接接管后用盲板将接管盲死，或焊接法兰加法兰盖。
特种设备取样过程包括割管等，须确保全部过程符合特种设备维修改造或重大维修改造规定，内容包括设计资质、设计文件、施工资质、施工方案、告知、施工人员证、焊接工艺评定、监检等。
2、断层解剖应用举例
2.1常规检验情况
某硫回收装置的酸性水罐封头发生开裂，检验人员根据测厚值异常发现了该缺陷。笔者对该封头样品进行了断层解剖检验，并对开裂原因进行了分析。该容器内径2400mm，长度7304mm，简体公称壁厚12mm，封头公称壁厚14mm，封头材料16MnR，最高操作压力0.2 MPa，最高操作温度50℃，介质为酸性水，含接近饱和浓度的硫化氢。使用4年多后，宏观检查发现该罐东北侧封头内表面存在不明显的圆形鼓包，鼓包上存在开裂，开裂从圆心开始呈放射状。鼓包处及附近测厚值异常，在肉眼不能分辨鼓包部位，有“夹层”缺陷存在，“夹层”距内表面较近，如图l所示（图中箭头为内表面的放射状开裂）。
图1酸性水罐内表面
2.2断层解剖检验
将酸性水罐开裂封头样品，按一定间隔垂直于容器内表面进行断层解剖，如图2所示，图中放射状开裂为放大的图1内表面开裂，多道水平断层解剖垂直于容器内表面。
从断层解剖检验可以看出内外部开裂状况，典型开裂为三种开裂（封头母材内存在平行于表面的鼓包（HB）、鼓包两端有阶梯状开裂（HIC）、鼓包容器内侧表面有垂直于表面的放射状开裂（SSCC））并存，部分解剖后截面如图3所示，每个截面上部为内表面，下部为外表面。将所有截面综合后可得开裂的三维形貌，经断层解剖检验可以看到缺陷的三维形状和空问相对关系，HB为平行于钢板表面的球冠形鼓包，HIC为HB外侧呈局部环行的阶梯，HB和HIC为内部开裂，SSCC为外部开裂。
图2开裂处的断层解剖 图3横截面开裂状况
2.3开裂原因分析性作出准确判断。
经断层解剖检验分析，该封头存在三种开裂：在湿硫化氢环境中，硫化氢发生水解后与钢材反应生成具有高的渗透性的氢原子，氢原子在分层或夹杂处（特别是长条状的MnS）聚集生成氢分子，从而形成内压，使分层或夹杂处界面分离，导致钢板形成氢鼓包（HB）；氢气压力的作用下，不同层面上的相邻氢鼓包裂纹相互连接，形成阶梯状氢致开裂（HIC）；氢原子渗入钢中后，一部分固溶于晶格中，使钢的脆性增加，在氢气内压下鼓包位置产生拉应力，造成硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）。
3、断层解剖检验意义
超声波测厚在肉眼不能分辨鼓包部位发现的夹层缺陷，在断层解剖检验中，证实这些夹层缺陷为HB和HIC，但面积较小且开裂张角很小，属初期HB和HIC。初期HB和HIC在肉眼看来并末产生鼓包，钢板厚度无异常，在宏观检验中不能被发现，也不易被射线检测发现，即使通过超声波检测等手段发现了这些近场区缺陷，也容易被误认为是夹层，如图4所示。这些易被误认为夹层的裂纹在下一检验周期内会扩展，危及设备安全。
图4易被误认为夹层的裂纹
承压类特种设备中的分层和夹层等缺陷通常不被认为是特别危险，没有经验的检验人员有时根据无损检测结果允许设备运行，但随着氢分子聚集，压力升高，开裂处内表面隆起，并产生应力腐蚀或应力导向氢致开裂（SOHIC），应力腐蚀开裂或应力导向氢致开裂的扩展，会削弱特种设备的承压能力，在下一检验周期内，当特种设备的承压能力不足时就会造成事故，本例中可能会造成大量硫化氢泄露的恶性事故。所以，当检验人员对特种设备安全存在重大怀疑，尤其是一旦发生事故会造成严重后果的情况，且用现有无损检测手段仍不能进行必要的定性、定量检测时，通过断层解剖检验可以对设备的安全性作出准确判断。
本例中，在断层解剖检验前，检验人员也对未鼓包处进行了超声波检验，发现不规则的紊乱波波形，他们认为这种不规则的紊乱波形是由于钢板质量低
劣而引起的（如夹层密集、夹渣等），并得到结论：鼓包周围材质氢损伤不严重。但断层解剖检验发现，鼓包以外也存在大量HIC，这些HIC并未造成鼓包，如果不改變操作条件，很可能会继续扩展。
有些湿硫化氢环境下的腐蚀，与本例不同，即使裂纹扩展晚期也并不发生HB、SSCC，在表面不易发现。只有HIC或SOHIC。这时如果无损检测不能准确对HIC或SOHIC检测时，断层解剖检验是有效检验手段。
通过分析不同断面上的HB、HIC和SSCC形态、位置、特点，有助于分析成因和开裂的扩展性危害以及对多个缺陷相互关系进行检验，断层解剖检验可以发现被无损检测忽视的某些危险缺陷。
4、结语
承压类特种设备断层解剖检验，对特种设备内部缺陷的不同断面上的形态、位置、特点、成因、危害以及多个缺陷相互关系进行检验。当检验人员对特种设备安全存在重大怀疑，且用现有无损检测手段仍不能进行必要的定性、定量检测时，通过断层解剖检验可以对设备的安全性作出准确判断。并通过举例，说明了断层解剖检验在酸性水罐封头开裂中的应用，证实该封头存在HB、HIC、SSCC三种开裂。
关键词：断层解剖；断口检验；氢致开裂；夹层
1、断层解剖检验
1.1定义
断层解剖检验是指在检验人员对特种设备安全存在重大怀疑时，且现有无损检测手段不能进行必要的定性、定量检测时，按相关规定对在用特种设备进行取样，按一定规律解剖制取样品，对样品上的缺陷在不同断面上的形态、位置、特点、成因、危害以及多个缺陷相互关系进行检验。
1.2操作方法
特种设备进行取样后，一般采用慢走丝线切割，对样品按需要的角度和间隔进行解剖，解剖后进行扫描、金相、扫描电镜等必要检测。
特种设备取样后一般采用堆焊、焊管或挖补的方法修复。取样时可以通过取样模转孔取样，也可以用套式内沉孔锪刀、复合锪刀或者便携式镗床等设备在现场取样。取样后堆焊，或者将剩下的开孔部位加工成双面坡口，采用挖补方法时，用相同材质和厚度的钢板制成与开孔大小相等、曲率一致、坡口对应的补板，采用适合的焊接工艺，双面对接焊方法将其补焊在开孔部位；采用接管方法时，在开孔部位焊接接管，类似于制造时焊接接管的方法，必要时按设计进行补强，焊接接管后用盲板将接管盲死，或焊接法兰加法兰盖。
特种设备取样过程包括割管等，须确保全部过程符合特种设备维修改造或重大维修改造规定，内容包括设计资质、设计文件、施工资质、施工方案、告知、施工人员证、焊接工艺评定、监检等。
2、断层解剖应用举例
2.1常规检验情况
某硫回收装置的酸性水罐封头发生开裂，检验人员根据测厚值异常发现了该缺陷。笔者对该封头样品进行了断层解剖检验，并对开裂原因进行了分析。该容器内径2400mm，长度7304mm，简体公称壁厚12mm，封头公称壁厚14mm，封头材料16MnR，最高操作压力0.2 MPa，最高操作温度50℃，介质为酸性水，含接近饱和浓度的硫化氢。使用4年多后，宏观检查发现该罐东北侧封头内表面存在不明显的圆形鼓包，鼓包上存在开裂，开裂从圆心开始呈放射状。鼓包处及附近测厚值异常，在肉眼不能分辨鼓包部位，有“夹层”缺陷存在，“夹层”距内表面较近，如图l所示（图中箭头为内表面的放射状开裂）。
图1酸性水罐内表面
2.2断层解剖检验
将酸性水罐开裂封头样品，按一定间隔垂直于容器内表面进行断层解剖，如图2所示，图中放射状开裂为放大的图1内表面开裂，多道水平断层解剖垂直于容器内表面。
从断层解剖检验可以看出内外部开裂状况，典型开裂为三种开裂（封头母材内存在平行于表面的鼓包（HB）、鼓包两端有阶梯状开裂（HIC）、鼓包容器内侧表面有垂直于表面的放射状开裂（SSCC））并存，部分解剖后截面如图3所示，每个截面上部为内表面，下部为外表面。将所有截面综合后可得开裂的三维形貌，经断层解剖检验可以看到缺陷的三维形状和空问相对关系，HB为平行于钢板表面的球冠形鼓包，HIC为HB外侧呈局部环行的阶梯，HB和HIC为内部开裂，SSCC为外部开裂。
图2开裂处的断层解剖 图3横截面开裂状况
2.3开裂原因分析性作出准确判断。
经断层解剖检验分析，该封头存在三种开裂：在湿硫化氢环境中，硫化氢发生水解后与钢材反应生成具有高的渗透性的氢原子，氢原子在分层或夹杂处（特别是长条状的MnS）聚集生成氢分子，从而形成内压，使分层或夹杂处界面分离，导致钢板形成氢鼓包（HB）；氢气压力的作用下，不同层面上的相邻氢鼓包裂纹相互连接，形成阶梯状氢致开裂（HIC）；氢原子渗入钢中后，一部分固溶于晶格中，使钢的脆性增加，在氢气内压下鼓包位置产生拉应力，造成硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）。
3、断层解剖检验意义
超声波测厚在肉眼不能分辨鼓包部位发现的夹层缺陷，在断层解剖检验中，证实这些夹层缺陷为HB和HIC，但面积较小且开裂张角很小，属初期HB和HIC。初期HB和HIC在肉眼看来并末产生鼓包，钢板厚度无异常，在宏观检验中不能被发现，也不易被射线检测发现，即使通过超声波检测等手段发现了这些近场区缺陷，也容易被误认为是夹层，如图4所示。这些易被误认为夹层的裂纹在下一检验周期内会扩展，危及设备安全。
图4易被误认为夹层的裂纹
承压类特种设备中的分层和夹层等缺陷通常不被认为是特别危险，没有经验的检验人员有时根据无损检测结果允许设备运行，但随着氢分子聚集，压力升高，开裂处内表面隆起，并产生应力腐蚀或应力导向氢致开裂（SOHIC），应力腐蚀开裂或应力导向氢致开裂的扩展，会削弱特种设备的承压能力，在下一检验周期内，当特种设备的承压能力不足时就会造成事故，本例中可能会造成大量硫化氢泄露的恶性事故。所以，当检验人员对特种设备安全存在重大怀疑，尤其是一旦发生事故会造成严重后果的情况，且用现有无损检测手段仍不能进行必要的定性、定量检测时，通过断层解剖检验可以对设备的安全性作出准确判断。
本例中，在断层解剖检验前，检验人员也对未鼓包处进行了超声波检验，发现不规则的紊乱波波形，他们认为这种不规则的紊乱波形是由于钢板质量低
劣而引起的（如夹层密集、夹渣等），并得到结论：鼓包周围材质氢损伤不严重。但断层解剖检验发现，鼓包以外也存在大量HIC，这些HIC并未造成鼓包，如果不改變操作条件，很可能会继续扩展。
有些湿硫化氢环境下的腐蚀，与本例不同，即使裂纹扩展晚期也并不发生HB、SSCC，在表面不易发现。只有HIC或SOHIC。这时如果无损检测不能准确对HIC或SOHIC检测时，断层解剖检验是有效检验手段。
通过分析不同断面上的HB、HIC和SSCC形态、位置、特点，有助于分析成因和开裂的扩展性危害以及对多个缺陷相互关系进行检验，断层解剖检验可以发现被无损检测忽视的某些危险缺陷。
4、结语
承压类特种设备断层解剖检验，对特种设备内部缺陷的不同断面上的形态、位置、特点、成因、危害以及多个缺陷相互关系进行检验。当检验人员对特种设备安全存在重大怀疑，且用现有无损检测手段仍不能进行必要的定性、定量检测时，通过断层解剖检验可以对设备的安全性作出准确判断。并通过举例，说明了断层解剖检验在酸性水罐封头开裂中的应用，证实该封头存在HB、HIC、SSCC三种开裂。