熔鹽爐盤管斷裂原因分析及改進(jìn)

寧 曄

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院常州分院，江蘇 常州 213000）

熔鹽爐盤管斷裂原因分析及改進(jìn)

寧 曄

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院常州分院，江蘇 常州 213000）

某企業(yè)一臺(tái)RYL-6400（550）MA型熔鹽爐在輻射段盤管卷制過程中，在焊縫處兩次發(fā)生斷裂。本文對(duì)斷裂原因進(jìn)行了分析。

熔鹽爐盤斷裂；原因；改進(jìn)意見

1 基本情況

該熔鹽爐輻射段盤管采用φ88.9×4的12Cr1MoVG，盤管直徑為φ2570，盤管速率控制在3000mm/min左右。2014年3月25日開始焊接并盤管，3月27日發(fā)生一處焊縫斷裂，當(dāng)時(shí)車間未向質(zhì)檢部門匯報(bào)，割去斷口并重新焊接后繼續(xù)卷制，3月28日再次發(fā)生焊縫斷裂。

2 斷口檢查情況

2.1 3月27日斷口

（1）全管斷裂。

（2）管子靠近彎管機(jī)上輥一側(cè)（內(nèi)側(cè)）有80mm斷口，位于母材區(qū)，呈三角形。厚度方向斷口呈斜面，表面平整，有斜向晶粒滑移線。呈壓縮剪切破壞特征（如圖1）。

（3）其余斷口位于外側(cè)，沿焊縫中心線斷裂，斷口平，表面晶粒突出，無明顯延伸及收縮，呈脆性斷裂特征。根部有嚴(yán)重未焊透，長(zhǎng)95mm，寬1.5～2.5mm，最寬處位于管子最外側(cè)。

2.2 3月28日斷口

（1）全管斷裂。

圖1

（2）管子靠近彎管機(jī)上輥一側(cè)（內(nèi)側(cè)）有82mm斷口，位于母材區(qū)，呈三角形。厚度方向斷口呈斜面，表面平整，有斜向晶粒滑移線。呈壓縮剪切破壞特征。

（3）有113mm斷口位于外側(cè)，沿焊縫中心線斷裂，斷口平，表面晶粒突出，無明顯延伸及收縮，呈脆性斷裂特征。根部有嚴(yán)重未焊透，長(zhǎng)123mm，呈月牙形，最寬處達(dá)3.0mm，且位于管子最外側(cè)。

（4）其余斷口斷裂位置位于母材區(qū)，有明顯延伸及收縮，呈拉伸延性斷裂特征（如圖2）。

圖2

3 斷裂原因分析

由于是全管斷裂，確定斷裂開始的部位對(duì)分析斷裂原因很重要。據(jù)調(diào)查，發(fā)生在二次斷裂時(shí)，焊縫剛進(jìn)入彎管機(jī)上輥，此時(shí)主要的受力情況為：外側(cè)受軸向拉應(yīng)力，內(nèi)側(cè)受軸向壓應(yīng)力。由于管子在盤制時(shí)，應(yīng)力加載速度并不大，根據(jù)12Cr1MoVG的材料特性，此時(shí)軸向壓應(yīng)力不會(huì)導(dǎo)致管子斷裂，最多會(huì)引起失穩(wěn)變形。所以首先發(fā)生斷裂的部位應(yīng)在焊縫外側(cè)受軸向拉應(yīng)力的區(qū)域。

對(duì)所用材料及焊材進(jìn)行了復(fù)查，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。12Cr1MoVG為寶鋼生產(chǎn)，入庫編號(hào)為22G3-8，σs=440/460MPa、σb=560/585MPa、δ=27.0%/26.0%，工廠復(fù)驗(yàn)值為σb=537MPa、δ＝26.0%。據(jù)此可以確定：盤管時(shí)為了達(dá)到彎制的目的，管子外側(cè)軸向拉應(yīng)力應(yīng)大于σs，且盤制速度愈快，應(yīng)力愈大，估計(jì)在440～540MPa范圍內(nèi)。

焊接采用φ1.6的TIG-R31焊絲（相當(dāng)于國(guó)標(biāo)ER55B2MnV），上海電力修造總廠有限公司出品，符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/FAAX.31-2000,焊前預(yù)熱,焊后緩冷。原質(zhì)保書中熔敷金屬拉伸試驗(yàn)：σs=510MPa、σb=640MPa、δ=27.0%。（Q/FAAX.31-2000標(biāo)準(zhǔn)要求：σs≥440MPa、σb≥540MPa、δ≥17.0%），相對(duì)于母材為高匹配（工廠焊接工藝評(píng)定合格，拉伸試樣斷裂于母材）。

管子首先沿焊縫中心斷裂，而不是在強(qiáng)度較低的母材區(qū)及熱影響區(qū)，是由于在焊縫中心存在有深、長(zhǎng)的未焊透，且位于受力最大的管子外側(cè)，焊縫截面積大大減小，致使焊縫所實(shí)際承受的拉應(yīng)力大大超過了鋼管（根據(jù)實(shí)際焊縫截面積估算，焊縫中心實(shí)際承受的拉應(yīng)力為650～800MPa）。再加上未焊透所引起的應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致焊縫斷裂。（從斷口情況來看，有未焊透的部位，斷口與未焊透平齊，而不存在未焊透的部位，斷口在母材或偏離中心線，也可以印證這一觀點(diǎn)）。

4 結(jié)語

由于管子外側(cè)焊縫存在有嚴(yán)重的未焊透，減少了焊縫截面積，并產(chǎn)生應(yīng)力集中，在彎管時(shí)產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂。由于斷裂是在瞬間發(fā)生，管子內(nèi)側(cè)除了承受彎管所產(chǎn)生的應(yīng)力外（軸向壓應(yīng)力+周向壓應(yīng)力+縱向剪力），在瞬間還承受了極大的沖擊動(dòng)載荷，最終在變形較小的情況下發(fā)生了壓縮剪切斷裂。

5 改進(jìn)意見

（1）分析上述未焊透產(chǎn)生的原因，焊縫破口間隙過小（局部甚至無間隙）是產(chǎn)生未焊透的主要原因，并不排除焊接參數(shù)不當(dāng)及運(yùn)條方式不當(dāng)?shù)囊蛩亍９S應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)工藝紀(jì)律，質(zhì)檢人員應(yīng)加強(qiáng)巡回檢查，著重注意坡口間隙、焊接參數(shù)的控制。射線抽查探傷部位要有代表性，能真正起到監(jiān)督焊接質(zhì)量的作用。

（2）12Cr1MoV焊接難度較大，工廠積累的經(jīng)驗(yàn)也不多。工廠應(yīng)加強(qiáng)對(duì)焊工的培訓(xùn)教育，根據(jù)12Cr1MoV的特點(diǎn)、有針對(duì)性地對(duì)焊工進(jìn)行培訓(xùn)，并組織焊工考核，選派其中優(yōu)秀的焊工進(jìn)行產(chǎn)品施焊。進(jìn)一步完善工藝焊接（從斷口上可知，焊縫的脆性較大），不要滿足于一次工藝評(píng)定，應(yīng)多試驗(yàn)，多積累經(jīng)驗(yàn)、數(shù)據(jù)。

（3）嚴(yán)重的未焊透發(fā)生于管子外側(cè)，有其偶然性也有其必然性。由于工廠管子彎制工藝及場(chǎng)地所限，甚至某些焊工為圖方便，許多焊縫焊接使采用了水平固定的焊接位置（全位置焊），而管制外側(cè)焊縫處于難度較大的立焊或仰焊位置，較易發(fā)生缺陷。工廠應(yīng)教育焊工，焊接時(shí)盡量采用水平轉(zhuǎn)動(dòng)焊，對(duì)只能采用水平固定焊的焊縫，應(yīng)增加射線探傷的抽查數(shù)量。

（4）由于熔鹽爐運(yùn)行條件較為苛刻，而12Cr1MoVG殘余應(yīng)力較大，盤管速度應(yīng)適當(dāng)降低，不要簡(jiǎn)單引用20號(hào)鋼管盤管速度。為了確保質(zhì)量，應(yīng)對(duì)已完成的焊縫增加射線探傷的抽查數(shù)量。

（5）實(shí)際所用12Cr1MoVG批號(hào)的屈強(qiáng)比較高（n=440/560=0.78，GB5310-2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》規(guī)定：σs≥255MPa、σb＝470～640MPa），應(yīng)盡量選購(gòu)σs適中、屈強(qiáng)比較低的批號(hào)。

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1671-0711（2017）04（下）-0028-02