探討內燃式鍋爐受壓元件低周疲勞破壞

鮑旭銘

（寧波市特種設備檢驗研究院，浙江 寧波 315048）

探討內燃式鍋爐受壓元件低周疲勞破壞

鮑旭銘

（寧波市特種設備檢驗研究院，浙江 寧波 315048）

本文主要對內燃式鍋爐受壓元件的低周疲勞破壞的特點進行分析，明確受壓元件的低周疲勞破壞是鍋爐局部出現裂縫導致泄漏問題的主要原因，并提出一些避免低周疲勞破壞的工藝方法來促進鍋爐的安全穩定運行。

鍋爐；受壓元件；低周疲勞破壞；工藝方法

內燃式鍋爐受壓元件低周疲勞破壞是鍋爐運行中的一個重要問題，一旦出現失效情況會嚴重影響鍋爐的安全運行，甚至會出現鍋爐泄漏或爆炸的情況而危及人身財產安全，在此種情況下，加大力度對工業鍋爐受壓元件低周疲勞破壞進行研究和分析，并為工業鍋爐設計和制造過程提供科學化的理論依據，以確保鍋爐的安全穩定運行，促進其經濟效益和社會效益的提升。

1.內燃式鍋爐受壓元件產生裂紋的常見部位

根據鍋爐定期檢驗情況，對近幾年來內燃式鍋爐受壓元件產生裂紋的原因進行分析和研究后，可以發現內燃式鍋爐受壓元件由于低周疲勞破壞產生裂紋的常見部位主要有：

（1）集中于爐膽與前管板填角焊縫部位，呈現放射狀，且具有一定的穿透性。

（2）回燃室內前管板孔橋與管端處也比較容易出現裂縫。

（3）拉撐圓鋼自身局部受到鍋爐運行過程中多種因素的作用也會出現不同程度的斷裂情況。

2.內燃式鍋爐受壓元件低周疲勞的原因

2.1 裂紋的產生原因

以強度計算書為主要依據進行查算和復驗后，可以發現所取得管板、錐形爐膽以及拉撐圓鋼等鍋爐受壓元件的實際厚度與直徑均能夠與鍋爐受壓元件的強度計算標準保持一致，并且具有一定的裕度。此種情況表明，鍋爐受壓元件的理論計算強度與其實際強度能夠保持協調一致，在鍋爐投入運行1～3年后，裂紋逐漸產生，在對裂紋進行系統化分析后，可以確定低周疲勞破壞是鍋爐受壓元件出現裂紋的最主要原因。

在壓力作用穩定的情況下，鍋爐運行過程中，其受壓元件局部存在一定的應力集中情況，并且受壓元件的局部處于比較明顯的塑性調整狀態，并不會對鍋爐受壓元件的實際強度造成影響。那么在鍋爐的實際運行過程中，若處于交變的壓力作用下，應力集中部位極易出現疲勞裂紋，并且隨著使用時間的延長，疲勞裂紋會逐漸擴展，最終導致受壓元件出現失效。

2.2 應力分析

就工業鍋爐運行的實際情況來看，其受壓元件的受力主要來自于介質壓力、溫度應力以及工藝應力等。

（1）介質壓力，受壓元件所受到的應力主要分為一次應力、二次應力以及峰值應力。那么一次應力主要以彎曲應力為表現形式，二次應力是在介質壓力條件下所產生的一種間接應力，主要出現于結合特性不同的銜接部位，目的是為了更好地滿足變形連續條件，以促進鍋爐受壓元件的實際應用價值的有效發揮。就實際情況來看，二次應力主要在局部發生，因此也稱作局部彎曲應力。

（2）溫度應力，是在鍋爐正常運行條件下所產生的一種熱應力，與鍋爐受壓元件的溫差之間存在著密切的聯系，其該熱應力具有比較明顯的穩定性，尤其是變工況條件下，鍋爐受壓元件主要是由受壓元件壁的溫差出現變動后，所導致熱應力的定期變化，從而導致交變熱應力的出現。與此同時，在受壓元件壁溫波動的情況下，其個別部位也會出現頻率較大的交變熱應力。

（3）工藝熱應力則相對比較簡單，主要包括焊接殘余應力以及組對裝配殘余應力等。總的來講，鍋爐受壓元件失效部位大多集中于一次應力、二次應力、峰值應力以及工藝應力之和等應力場，對鍋爐的實際運行情況產生不同程度的影響。

2.3 低周疲勞強度計算比較

當前我國低周疲勞強度計算方法主要以粗估法和分析法為主，仍有待加以補充和完善。其中，粗估法即低周疲勞設計曲線法，能夠對低周疲勞強度進行簡單的計算比較。而分析法是裂紋生長過程分析法的簡稱，能夠對所分析的部位進行科學合理的低周疲勞強度計算。低周疲勞設計曲線如圖1所示，在對圖1進行觀察分析的基礎上，可以發現以應力變化周數為主要因素，能夠對鍋爐受壓元件的實際允許應力幅度值進行明確，具有一定的合理性。

通過研究分析可知，鍋爐受壓元件的應力幅值較大，在膜應力與彎曲應力以及峰值應力等的應力分量中，僅僅峰值應力能夠具有明顯的增大趨勢，也就是說，應當以最大剪應力理論為主要依據，來進行精準可靠地計算，以促進當量應力的提升，進而在最大程度上降低周疲勞循環周數，對局部失效的可能性進行有效地控制。

3.內燃式鍋爐受壓元件由于低周疲勞產生裂紋的常見部位峰值應力的具體分析及解決措施

3.1 爐膽與前管板連接的填角焊縫

此處的峰值應力主要表現在幾何形狀突變導致的應力集中，特別是當錐型爐膽無直邊段時尤為突出，另外，護膽與管板連接處有復雜的熱應力場，也是峰值應力過高的原因之一。

顯而易見，最大可能地改變此處的幾何形狀，是解決此問題的根本，如錐壁爐膽加直邊段等，一般將填角焊縫改為管板扳邊處與爐膽連接的對接焊縫，就可以從根本上解決這個問題。

3.2 回燃室內前管板孔橋

此處的峰值應力主要表現在熱應力，由于煙管與管孔之間的間隙，導致發生過冷沸騰現象，直接產生了交變的熱應力。對于由塑性材料制成的受壓元件，熱應力不會使元件失效，而周期變動的熱應力則影響較大，即使是塑性材料，如熱應力引起周期變動的塑性變形，則元件可能產生低周疲勞破壞。

最大可能地消除煙管與管孔的間隙，是降低峰值應力的關鍵所在，為此，采用對此高溫區的煙管進行焊前預脹消除間隙的方法。焊后機加工管端伸出焊縫部分，嚴格焊接規范，減小焊接殘余應力，可有效地防止此處產生低周疲勞破壞。

3.3 拉撐圓鋼與管板連接處

此處的峰值應力主要來源于焊接殘余應力，熱應力和應力集中。為了保證圓鋼與管板全焊透，必須開單面坡口，圓鋼與管板的形狀差別為了保證變形連續即產生了較高焊接殘余應力。

在鍋爐實際運行過程中，為了更好地解決受壓元件低周疲勞破壞問題，研究人員應當立足于理論條件的基礎上，從焊縫坡口形狀以及焊接規范入手，嚴格遵照鍋爐受壓元件的相關工藝參數來進行操作，最大程度地對受壓元件的產生的應力進行控制，并通過以下措施來進行有效地解決。做好焊接之前的預熱工作，減小焊縫區域與其周圍部分的溫差，以確保其焊接應力與鍋爐受壓元件的實際需求保持高度一致。待焊接完成后，應當及時回火，以適度減小焊接應力。與此同時，機械拉伸也不失為一種有效地降低焊接應力的方式。

3.4 斜拉桿

就鍋爐實際運行情況來看，斜拉桿斷裂的情況也時有發生，會導致裂紋不斷擴展，從而影響鍋爐安全運行。原材料中存在著多元化形態的微觀裂紋，分布于原材料的表面和內部，大部分不會對受壓元件的強度造成影響。但是，一旦存在能夠引起交變荷載作用下的擴展裂紋時，鍋爐運行就存在一定的危險性。那么在實際加工制造過程中，應當積極改善斜拉桿的加工工藝，尤其是在煨制的過程中，應當將煨彎部位的裂紋隱患進行及時有效地控制和處理，以免出現低周疲勞破壞的情況而影響鍋爐的安全運行。

結語

就宏觀層面來看，工業鍋爐受壓元件低周疲勞破壞會對鍋爐的運行造成嚴重的影響，在制約其經濟效益的同時，也給人民群眾的生命財產安全造成了嚴重的威脅，在此種情況下，加強鍋爐受壓元件低周疲勞破壞的研究和分析，具有重要的現實意義。相關研究人員應當加大力度對低周疲勞破壞進行理論研究，并積極完善其解決措施，推進鍋爐制造技術的發展，確保鍋爐的安全穩定運行，推進社會的長足發展。

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