不銹鋼蒸汽鍋爐裂紋原因分析

符有輝

摘 要：本文通過對裂紋外觀檢查，了解鍋爐的使用環境、介質等因素，說明疲勞和應力腐蝕是產生裂紋的主要原因。

關健詞：不銹鋼；疲勞；應力腐蝕；裂紋

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.007

1 前言

有五個單位使用同一LSG型號的6臺燃油立式鍋爐，分別于2001、2002和2006年開始運行，在2007 年發現2臺鍋爐有滲漏現象。清除保溫層和垢雜物后發現本體上不同部位有大小不一的裂紋。在2008、2009和2010年分別有4臺又發現有上述同樣的裂紋現象。該批鍋爐的主要技術參數如下：

額定出力：0.2～0.35T/H；

額定壓力：0.04MP；

燃燒方式：輕柴油噴燃。

2 外觀檢查

去除垢雜物保溫層后，發現裂紋位置為出煙口與封頭連接處焊縫裂紋（見圖1）、進水管座周圍出現裂紋（見圖2）、封頭上部出現裂紋（見圖3）。把裂紋周圍的附著物去除后，沒有產生明顯的點蝕現象及塑性變形。

3 裂紋原因分析及討論

3.1 母材材料特性

該熱水鍋爐的主要材料用俗稱304的不銹鋼制造而成，304不銹鋼是按照美國ASTM標準生產出來的不銹鋼的一個牌號，相當于我國的0Cr19Ni9不銹鋼，含鉻19%，含鎳9%[1]。應用不銹鋼防銹時，其原理在于，合金元素可生成致密的氧化膜，阻隔空氣氧化其內的金屬元素。所以不銹鋼并不是“不銹”，但是不銹鋼在氯離子存在下的環境中，會產生應力腐蝕，甚至超過普通的低碳鋼。

3.2 出煙口與封頭連接處焊縫裂紋（圖1）

據現場觀察，鍋爐的煙囪是由鍋爐本體通過出煙口支承的，受力位置是出煙口與封頭的焊縫位置。由于煙囪直通大氣，空氣中有一定的濕度（特別是雨天時），當煙氣向上升與煙囪內的空氣接觸。煙囪的水向下流動，遇高溫煙氣時會焊接處產生熱脹冷縮現象。由于這種現象周期反復變化著的應力的作用而在焊接薄弱處產生疲勞裂紋。

3.3 進水管座周圍出現裂紋（圖2）及封頭上部出現裂紋（圖3）

根據現場仔細觀察裂紋的特征（裂紋附近沒有明顯塑性變形和大量分叉的穿晶斷裂），認為是典型的應力腐蝕裂紋。

（1）產生應力腐蝕的因素。在含氯元素的離子介質中，含鎳鉻奧氏體成分的不銹鋼較易產生應力腐蝕，熱水鍋爐主要應用到的就是0Cr19Ni9不銹鋼，因此易被應力腐蝕。

據向使用熱水鍋爐單位了解，該鍋爐的熱水直接是由自來水供給的，自來水中含有大量的氯離子，因具備了產生應力腐蝕的介質因素。

某種金屬與某種介質在其相應的組合情況下產生應力腐蝕，導致不同金屬腐蝕的介質也不一樣，相應金屬產生應力腐蝕就需要特定的腐蝕介質。根據實際統計的工程事故數據得出，奧氏體不銹鋼產生應力腐蝕時，氯離子介質所引起的應力腐蝕起到了很大作用，對于奧氏體不銹鋼來說，當材料上的溫度高于30℃且同時存在于一定濃度的氯離子中，便會產生應力腐蝕，隨著溫度不斷升高，僅需要很少的氯離子就能產生應力腐蝕；尤其在50℃以上溫度的含氯離子的水溶液當中，奧氏體不銹鋼最易產生應力腐蝕；氯離子的濃度和溫度的升高，在應力腐蝕中起到了很大作用。

（2）進水管座周圍出現裂紋（圖2）。進水管座處于熱水鍋爐的下部，位于燃燒室旁，環境溫度較高。進水管連接著止回閥和截止閥，容易漏水，因此保溫層會受潮，而不斷加熱的過程中，氯離子的濃度也在不斷增加。此外，閥門修好或更換后不再漏水，鍋爐加熱的過程又會讓保溫層干燥了，保溫層在潮濕和干燥兩個環境里交替，這樣為氯離子在保溫層中聚集創造了有利條件。

當熱水鍋爐進水時，管座周圍的溫度相對較低，當進入鍋爐的自來水經熱交換后，爐外壁溫度隨之升高。鍋爐內環境不斷在潮濕和干燥中交替，金屬表面水膜中易溶的有害物質及可能有害的物質聚集在一起，在交替的環境中，金屬產生開裂問題所需要的溫度，比連續潤濕時開裂，所需要的溫度低得多。由此可見，該熱水鍋爐的應力腐蝕裂紋應起源于筒體的外壁。另鍋筒外壁溫度為80℃左右正是易產生應力腐蝕的溫度，可見該熱水鍋爐進水管座處完全符合產生應力腐蝕的環境。

（3）本體上部出現裂紋（圖3）。立式燃油熱水鍋爐由于受受熱面積較少，煙氣循環路程較短，所以排出大氣的溫度較高（約200℃）[2]。據了解熱水鍋爐上的閥門也經常漏水，這些水會沿著滬頂流入保溫層，當使用熱水時，鍋爐的水位降低，鍋爐頂形成一定的無水空間。爐壁溫度隨之升高，當泵打滿水后，爐壁溫度有一定的下降。也形成了交替潤濕和干燥，并且此處的壁溫較高約100℃，完全形成了產生應力腐蝕的環境條件。產生的裂紋也比較嚴重。

4 結束語

如上分析，裂紋主要是疲勞和應力腐蝕形成，所以應加強出煙口與封頭間焊縫高度及熱水鍋爐上閥門儀表的管理。保證保溫層的干燥，控制水中的氯離子≤25ppm。

參考文獻：

[1]李丹.超（超）臨界火電機組傳熱管用不銹鋼的研究[D].江蘇大學，2010.

[2]顧衛東.余熱鍋爐出口減溫器蒸汽法蘭失效分析[J].石油化工技術與經濟，2014（03）：98-101.