超高压水晶釜损伤模式分析及检测方法研究

栗 帅，肖 晖，杨志刚

(河南省锅炉压力容器安全检测研究院，河南郑州 450016)

超高压水晶釜作为人造晶体生产的关键设备，运行过程中不仅承受着高温、高压及苛刻的腐蚀介质的作用，还要承受开停工时交变应力，容易出现各种损伤失效情况，超高压水晶釜是超高压容器中事故率相对较高的设备。目前，对超高压水晶釜的损伤模式研究报道较少，因此有必要深入了解超高压水晶釜的结构特点、工艺情况、分析其存在的损伤模式，从而找出薄弱环节，提出具体的检测方法，这将对超高压水晶釜的安全、稳定运行具有重要意义。

1 超高压水晶釜的材料、结构及工艺特点

超高压水晶釜主要应用于人造水晶合成领域，其设备一般为锻造的厚壁筒形结构，目前超高压容器的结构型式主要有单层整锻式、管式、自增强、热套式、绕丝式等。超高压水晶釜运行参数高，工作条件较为恶劣，釜体材料强度高，对缺陷敏感，即使存在微小的裂纹，都有可能导致裂纹的扩展，当达到一定尺寸后釜体就会发生破裂，引起爆破失效，造成严重的后果。

1.1 超高压水晶釜常用的材料

超高压水晶釜在生产中需要反复承载着高温、高压、易腐蚀的介质，因此超高压水晶釜材料必须要满足强度高、韧性好、耐腐蚀等特点。超高压水晶釜通常选用PCrNi3MoVA作为制作材料。PCrNi3MoVA材料是一种具有较高屈强比、一定断裂韧性及脆性转变温度的高强度合金钢，在400 ℃屈服强度σ0.2为720 MPa～800 MPa，抗拉强度σb为800 MPa～875 MPa，弹性模量E为1.775×105MPa。而超高压水晶釜一般最高工作温度≤400 ℃，最高工作压力≤140 MPa，介质为1 N～1.25 N NaOH溶液，选用PCrNi3MoVA满足超高压水晶釜的工况条件[1]。

1.2 超高压水晶釜的结构

超高压水晶釜一般为单腔圆筒形锻造容器，釜体结构大部分采用通孔式。在水晶釜工作时，釜体内压产生的轴向应力在釜体顶部分别经过密封塞、密封环、压环作用于上法兰，再经过上法兰、釜体与卡箍之间的螺纹作用于釜体之上；在釜体的底部，轴向应力分别经过堵底塞、堵底密封环、堵底压环以及堵底螺，然后经堵底螺与釜体内壁之间的螺纹再次作用于釜体上，这样形成了力的传递平衡[2]。

1.3 超高压水晶釜的工艺过程

人造水晶在超高压水晶釜内部生长，通常采用水热温差结晶法实现。水晶生产大致工作过程一般为：先在釜内部放仔晶、然后配一定质量和浓度的溶液并加入釜中、接着开始启动加热、保温、降温等程序、最后取出晶体、对釜腔冲洗。水晶在400 ℃高温，140 MPa高压及SiO2过饱和溶液、1 N～1.25 N的NaOH水溶液的条件下进行结晶。釜体一般采用外部加热方式，在外壁面布置电阻发热材料进行加热，并采用热电偶对温度进行测量。生产过程中，温度会影响到水晶的品质和釜体内部的压力，所以控制好温度并保持温度的稳定性对水晶生长十分重要。

2 超高压水晶釜的损伤模式分析

超高压水晶釜由于服役条件的苛刻性以及结构的特殊性在运行过程中容易出现各种损伤模式，常存在的损伤模式主要有应力腐蚀开裂、回火脆化、局部过量变形、疲劳损伤等。

2.1 应力腐蚀开裂

水晶釜正常工作时，碱性溶液会在釜体内表面会产生一层氧化膜，氧化膜容易造成釜体局部超温，而超温后釜体压力升高材料力学性能下降，产生的鼓胀变形会导致釜体与堵底塞之间产生缝隙，并破坏保护膜，形成缝隙腐蚀，同时由于周期性升高温度和压力、再降低温度和压力，容易在不连续区域底(如堵螺压加工处)出现应力集中，并产生应力腐蚀开裂[3]。应力腐蚀裂纹在底堵螺纹根部应力集中的区域，可能会造成釜体底部泄漏，甚至发生爆炸。

2.2 回火脆化

超高压水晶釜常用材料PCrNi3MoVA为中碳低合金钢，长期在400 ℃左右内使用时，虽然材料的韧性未发生较大改变，但材料的微观组织和结构已逐渐出现了变化，在设备停止运行釜体温度降低后出现脆性开裂现象，即发生了回火脆化。 PCrNi3MoVA中含有Mn、S、P等元素会显著增加其回火脆性，超高压水晶釜长期在大于440 ℃温度范围使用时，回火脆化可能会带来更为严重的损伤。

2.3 局部过量变形

在超高压水晶釜使用中，釜体下部温度高，釜体上部温度低，上下部存在较大的温度差，依靠温度差可使釜体内介质形成自然循环，从而促使水晶的生长。水晶釜釜体下部的温度临近设计温度，一旦发生温度出现波动，釜体下部温度长时间超过400 ℃，便会出现变形损伤。由于水晶生产工艺要求釜体底部温度高，因此底部相对布置较多的电加热环，而超高压水晶釜底部为自紧式密封结构，内部碱液没有充满整个空间，热量无法及时带走，而且在该部位没温度测量装置，时常发生超温的情况，造成该部位出现鼓胀变形。

2.4 疲劳损伤

疲劳损伤是指容器受到交变载荷的作用，容易在应力集中的部位产生裂纹，随着交变应力不断增加裂纹慢慢扩展，最终超过容器的韧性承受极限，导致容器快速破裂。水晶在每个生长周期内，釜体都必须经历升温降温、升压降压的程序，这样反复的温度变化和压力变化，容易产生疲劳裂纹[4]；超高压水晶釜上下端结构复杂，釜体上端车有螺纹，釜体底部是凸肩、退刀槽并车有螺纹，而且底部底塞和筒体为过盈配合，具有几何不连续性，受力状况比较复杂，在应力集中部位易形成裂纹，属最危险部位。尤其是釜体底部螺纹末端密封环处的退刀槽，此处有较大的应力集中，虽然不存在内压力，但长期受到交变载荷的作用，被视为危险断面。从一些典型事故案例中发现，退刀槽附近的螺纹根部属于危险区域，釜体断裂多在此处发生，裂纹源不仅沿螺纹根部方向发展，而且还周向扩展，最终将致使釜体断裂。

3 超高压水晶釜的检验检测方法

通过分析超高压水晶釜存在以上四种损伤模式，针对损伤模式特点，采用科学、有效检验、检测手段能发现缺陷、消除缺陷，从而降低容器运行风险。

3.1 内窥镜检测

通过对超高压水晶釜损伤模式分析，在底堵螺纹根部应力集中区域容易发生应力腐蚀开裂，发生温度控制失灵超温运行釜体材料微观组织结构出现变化，在停止运行后内壁出现脆性开裂和局部过量变形，长期疲劳运行在釜体上下端螺纹、釜体底部凸肩、退刀槽和螺纹等部位容易形成裂纹，因此筒体内壁是在用超高压水晶釜检验检测的重点。由于超高压水晶釜内径为240 mm～400 mm之间，人员无法进入内部进行宏观检验、磁粉检测和渗透检测，致使内表面缺陷无法检出，而工业内窥镜采用几何光学原理，通过光导纤维材料将水晶釜内壁表面状况传至观察屏上，检验人员可进行观察和分析，因此工业内窥镜可作为超高压水晶釜检验的重要手段。工业内窥镜可做成自动爬行装置，把机器人技术和数字成像技术进行相结合，配有多角度可调光源，可实现水晶釜内表面目视检测自动化，对检验过程实时高清成像和并行同步处理，能够实现缺陷的平面尺寸测量和定位。通过工业内窥镜可对釜体内表面的腐蚀、冲蚀、裂纹等缺陷做到全面、清晰和准确的检测。

3.2 鼓胀变形检测

对超高压水晶釜釜体鼓胀变形检测比较有效的方法是检测外径局部变形量，如果沿釜体长度方向用直尺进行鼓胀检查会受到釜体直线度的干扰，而且测量准确度较低。在实际检测中，用外径螺旋千分尺进行测量，具有较高的准确度。具体方法：先依据釜体长度将釜体划分为数个具有代表性的截面，然后分别距釜体底部一定距离(如20 mm、200 mm、300 mm、600 mm等)转角90%分别测量，要保证测量位置分布在釜体下部台阶处、釜体中部、釜体上部，这样可以准确地测出釜体的外径以及对釜体的圆度进行判断。若对釜体鼓胀进行长期监测，可以将截面位置进行标记、固定，以便下次检验时可对检测数据进行比较。

对超高压水晶釜釜体鼓胀变形检测的另一种行之有效的方法是三维激光扫描法，该方法通过测量釜体内直径在同一个截面方向上实际测量的数值与原始值之间的差值来评估鼓胀变形程度。三维激光扫描法将扫描仪固定在釜体居中推进杆上，缓慢进入釜体内部，选择具有代表性的截面采集其三维点云数据，并对相关数据做出处理，拼接导出三维坐标的格式。通过分析三维激光扫描仪导出的数据，可确定出超高压水晶釜釜体鼓胀变形最严重的位置和准确的鼓胀变形量。三维激光扫描法不但操作简单、快捷，可节约测量时间，而且可测量各种规格的釜体直径，适用范围较广[5]。

3.3 超声检测

内窥镜虽然可以检查超高压水晶釜内壁多种宏观缺陷，但对釜体埋藏缺陷及内表面微观缺陷不能有效检出，因此需在水晶釜外表面用超声波检测的方法对其内表面进行检测。进行超声检测时，为检测与扫查面平行的面积型缺陷和体积型缺陷，通常采用直探头在外圆面对釜体进行全面扫查；为检测釜体锻造时产生的夹渣和白点缺陷，采用柱面聚焦探头，通过改善距离波幅曲线在外表面进行扫查。由于超高压水晶釜壁厚较大，要保证探头一次横波能扫查到内壁表面并且确保存在纯横波，需使几何临界角达到一定条件。现场检测时，为保证折射横波与内表面至少相切，通常采用小角度横波法进行检测[6]。用K1探头作轴向扫查来探测横向缺陷，用小K值探头作周向扫查来探测平行于轴线的径向缺陷，底部台阶区域的内表面裂纹作为检测重点。在水晶釜超声波检测时要保证对反射波的定位、定性、定量的准确性，试块选择非常重要，通常选用被检工件规格相同，材质、热处理工艺和表面状况相同或相似的筒形件制备[7]。将探头装在与釜体相同弧度的楔块上，控制探头横波折射角的变化区间，利用探头折射横波测量对比试块上不同深度长横孔的反射波波高，绘制出距离波幅曲线进行检测。

3.4 磁粉检测

磁粉检测的原理为工件被磁化后，如果在工件的表面和近表面存在不连续性(如裂纹)，就会在不连续性部位的表面形成漏磁场，漏磁场可吸附、聚集检测过程施加的磁粉，最终形成磁痕，便可提供缺陷的位置、形状、大小的显示。超高压水晶釜的釜体外壁、上法兰、卡箍、底盖外表面、主螺栓和卡箍底盖的螺纹面以及圆角过渡处受到应力腐蚀及疲劳载荷时容易出现裂纹，这些区域是磁粉检测的重点，应进行100% MT检测。磁粉检测要求线性缺陷长度不大于2 mm、圆形缺陷直径不大于1 mm，而且不允许有白点、折叠等缺陷。在检测时，为提高检测灵敏度尽量采用荧光磁粉。对水晶釜高压螺栓的检测，可以使用线圈法与磁扼法相结合的方式来进行。长周期运的超高压水晶釜，考虑釜体材料力学性能不会发生较大变化，可以减少对釜体磁粉探伤的比例，而法兰、螺栓和卡箍紧固件需要反复拆卸容易出现缺陷，其探伤比例应适当提高[3]。

3.5 硬度检测

硬度是指单位体积内固体材料抵抗硬物压入其表面的能力，是对材料物理性能的一项表征，在对超高压水晶釜检验中，硬度测定是其中一项重要的项目。超高压水晶釜使用过程中，温度最高的部分为釜体下部，温度最为接近设计温度，当发生温度控制失灵，下部温度经常超过400 ℃。水晶釜超温运行时间过长，在晶界上会出现碳化物，碳化物慢慢地聚集形成碳化物网络，从而导致大量的铁素体产生，材质出现劣化，材料的强度和韧性大大降低，微观组织和硬度值出现异常，因此对超高压人造水晶釜进行硬度测定是对釜体材料分析行之有效的检验项目[8]。根据釜体长度，分别选取数个具有代表性的截面，在0°、90°、180°、270°的方位进行测定，将测定结果与标准值进行比较，判断釜体材料的变化情况。

3.6 金相检测

金相检测也是确认超高压水晶釜超温、过热部位材料组织是否发生变化的一项重要手段。釜体金相检测一般先确定好易发生组织变化的部位，用不同号砂纸进行打磨，然后分别进行化学抛光和机械抛光，再采用4%硝酸酒精腐蚀，最后进行覆膜。金相检测主要检验材料的硫化物、氧化物、非金属夹杂物以及晶体的晶粒度等项目。超高压水晶釜的釜体材料为PCrNi3MoVA，其正常的金相组织为回火索氏体，组织晶粒度通常为4级～6级。在进行金相分析时，低倍组织中不可以存在裂纹、夹渣、气孔、白点等缺陷，而且疏松和偏析不可以大于2级。如果釜体中有较多的贝氏体组织出现，表明运行过程中温度偏高，导致材料的韧性下降[9]。

4 结语

超高压水晶釜有着较高的运行参数和苛刻的工作介质，通过对制造材料、结构特点、工艺过程的了解，分析其存在应力腐蚀开裂、回火脆化、局部过量变形、疲劳损伤等四种损伤模式，针对这四种损伤模式分别采用内窥镜检测、鼓胀变形检测、超声检测、磁粉检测、硬度测定及金相检测等手段，可有效提高超高压水晶釜检测的科学性以及对缺陷的检出率，这为降低水晶釜运行风险，保障其安全、稳定地运行有着重要的意义。