造紙蒸煮鍋裂紋的產生、修復和防治

摘 要：蒸煮鍋是造紙行業廣泛使用的蒸煮木片的制漿設備，在使用中內環焊縫出現裂紋，多數裂紋呈縱向斷續分布在焊縫上，且每次返修后，使用一段時間又出現裂紋。本文對該裂紋產生的成因進行分析，制定合理的焊接返修工藝，提出防范措施，有效地避免了焊縫裂紋的再次產生。

關鍵詞：容器；裂紋；修復；防治

1 引言

我公司現有蒸煮鍋6臺，其中2臺蒸煮鍋內稱不銹剛，鍋體尺寸￠3250mm×30mm×12000mm，材質為20K，工作壓力位0.8Mpa，工作溫度為175℃，生產流酸鹽本色漿，都用木片作造紙制漿的原料，蒸煮的藥液為白液（成份為：NaOH.Na2S.Na2SO4.Na2SO3.Na2CO3）。

煮一鍋須4.5小時，每臺蒸煮鍋一天產量為5鍋，反復升壓降壓。且其介質是先酸性在轉為堿性。自1988年11月，蒸煮鍋初次定期檢驗中發現2臺材質為20#鋼的蒸煮鍋的內表面焊縫區周圍產生大量淺表面裂紋和一條幾乎已貫穿筒的裂紋，而后在定期檢驗中陸續發現蒸煮鍋的內表面焊縫區周圍有淺表面裂紋，裂紋：長50—600mm，深8—16mm，斷續分布在整條焊縫上。

經對上訴裂紋進行焊接修復，容器安全等級定為四級，監督使用一年。在此后的每年容器復檢中，該焊縫均有裂紋出現，最嚴重的裂紋長達800mm，深約16mm，形成年年有裂紋，年年需修復的現象。本文對該焊縫裂紋的成因進行分析，并提出焊接返修工藝和防治措施，取得了較好的效果。

2 裂紋分布及成因

2.1 裂紋分布

裂紋均發生在頂部氣相區和中循環鼻子下部的內側環焊縫上，并有向焊接熱影響區擴展的趨勢，大部分裂紋呈龜裂形式，斷斷續續，且縱向裂紋多于橫向裂紋。焊縫及熱影響區表明無明顯的均勻腐蝕痕跡。

2.2 裂紋產生原因剖析

蒸煮鍋的內表面焊縫區周圍發現大量淺表面裂紋，其原因是在運行過程中產生的應力腐蝕和應力裂紋，基本因素是應力作用，.是由于材料在特定的組合條件下產生的，蒸煮鍋筒體所的材料為20g，是可能引起應力腐蝕的材料，同時蒸煮在運行時， 由于蒸汽的作用， 使木料與鍋殼內壁產生相對摩擦， 對鍋殼的磨損較大， 年腐蝕量一 般為1～2mm，最嚴重的達到2.6mm，同時白液對鋼材的腐蝕性較大， 腐蝕磨損和焊縫裂紋是蒸鍋使用的致命弱點，下面介紹蒸煮鍋產生應力裂紋和腐蝕情況。

（1）蒸煮鍋的應力情況。1）筒體內壓引起的應力。蒸煮鍋是中間圓柱兩頭錐形封頭且上下開孔的容器，在壓力作用下存在周向和環向應力，在這兩種應力作用下，筒體易產生脆性變形，從而產生裂紋；2）制造產生的殘余應力。該容器的制造工藝路線是：卷板——組裝——焊接。因筒體的板材較厚（28cm），在卷板過程往往需要強力卷板和強力組裝，同時板材較厚存在的焊接熱應力較大；3）蒸煮鍋在使用過程中受力較復雜。蒸煮鍋在運行中，由于工藝的要求，是一種間歇式操作的壓力容器，每天要煮4—5鍋，在每個蒸煮周期，又須進汽、排汽、升壓、降壓、升溫、降溫、排料等過程。一天約10個應力，而且升、降壓力較陡，尤其是卸料，須利用鍋內的壓力，瞬間降壓較大，對筒體的損傷很大，對裂紋的產生和擴展起到促進作用。

（2）蒸煮鍋的腐蝕情況。蒸煮鍋使用的藥液，采用堿和流酸鹽.亞流酸鹽，其腐蝕性強，在受熱分解時有SO2氣體產生，并與鐵反應生成FeSO3、FeS，形成薄膜，但極不穩定，蒸煮時鍋內木片和筒體產生相對運動，而對筒體產生摩擦使薄膜受到破壞，此時，又將產生新的腐蝕。經分析化驗，白液中有微量H2S存在，HzS構成了應力腐觸的介質因素，在現有蒸煮工藝條件下蒸煮有可能產生班應力腐蝕。由于蒸煮鍋筒體表面膜不穩定，一但對藥液的pH控制不好時，波動較大時，更容易促成應力腐蝕裂紋產生。目前，盡管應力腐蝕的機理還存在爭議，但HzS在一定條件下產生應力腐蝕是眾所周知的，從上面的分析可以看出，蒸煮受力復雜，而且溫度、壓力波動較大，在交變載荷的作用下藥液腐蝕性較強，形成的膜易被損壞，介質中確有H2s存在，為應力腐蝕提供了必備條件。由于蒸煮鍋的制造質量亦不盡相同，有的未進行整體熱處理，這樣一來就有焊接應力存在，在介質的作用下就會使蒸煮鍋內表面焊縫區周圍產生大量淺表面裂紋。

3 裂紋的修復

3.1 裂紋位置的確定

用著色探傷和超聲波探傷，準確測定裂紋的位置和深度，并做好標記。

3.2 焊接返修

（1）用碳弧氣刨仔細地鏟除裂紋，并開坡口，破口型式見（見下圖）。

（2）用角向磨光機打磨坡口及其周圍30mm范圍內，露出金屬光澤。

（3）用著色探傷檢查坡口內是否有殘余的微小裂紋。

（4）焊條采用E4315，規格為￠3.2mm，使用前經300—350℃烘焙1小時后，放入保溫筒中，隨用隨取。

（5）根據鍋體結構，焊接采用橫焊位置，焊接電流為90—110A，多層多道焊，每層焊道厚度控制在3mm以下，提高焊縫金屬的塑性和韌性。

（6）每道焊縫妥后，立即用風鎬錘擊焊縫，以松弛焊接應力。

（7）全部焊縫焊妥后，用履帶式陶瓷遠紅外加熱器對返修焊縫進行局部消應力熱處理，待冷卻至室溫后拆除。

（8）24小時后進行著色探傷檢查，確認無裂紋后投入使用。

本次修復的兩臺容器，經一年多的使用后檢驗及以后連續兩年的使用后檢驗，焊縫均未發現裂紋。

4 防止蒸煮鍋產生裂紋措施

（1）蒸煮鍋組裝后應進行整體熱處理，盡可能減少殘余應力的產生。對返修的蒸煮鍋返修部位應作局部熱處理。

（2）蒸煮筒體襯不銹鋼能有效地防止磨損腐蝕和應力腐蝕裂紋產生。

（3）嚴格白液中的控制H2S含量和pH值，pH值應控制在7～8以上。

（4）加強使用管理要嚴格控制工藝（蒸煮的時間。溫度。壓力），嚴禁超時/超溫/超壓運行。

（5）使用過程中，要盡可能緩慢升溫、升壓、降溫、降壓，減少對殼體的損傷，還要加強對設備使用中的巡回檢查一旦在蒸煮鍋使用中發現外殼有漏蒸汽或黑液泄漏的現象，應采取緊急停用，避免事故發。

參考文獻：

[1]陳伯蠡.焊接冶金原理[M].清華大學出版社，1991.

[2]陳伯蠡.焊接工程缺欠分析與對策[M].機械工業出版社，1998.

作者簡介：李趙銘（1962—）男，福建人，本科，工程師， 研究方向：熱工承壓類。