一起鍋爐鍋筒裂紋原因分析

何涇渭 韋中懸 徐洪濤 黃銳欽 丁 紅

(1.廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院東莞檢測(cè)院 東莞 523120)

（2.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200093)

鍋爐裂紋事故分析中以對(duì)鍋殼式鍋爐管板裂紋分析最為常見，一些學(xué)者[1-4]指出，此處容易產(chǎn)生裂紋是由于存在“入口效應(yīng)”，管孔處局部水循環(huán)不良，并且結(jié)垢嚴(yán)重、熱負(fù)荷大，造成傳熱惡化，因而使管板管孔容易產(chǎn)生疲勞裂紋。居曉明[5]結(jié)合鍋爐運(yùn)行工況對(duì)煙管管端產(chǎn)生裂紋的原因進(jìn)行了分析，包括管端角焊縫部位熱應(yīng)力大、煙管與管板角焊縫應(yīng)力集中、高溫?zé)焻^(qū)內(nèi)承壓部件水側(cè)結(jié)垢與閉塞區(qū)內(nèi)的熱疲勞失效和腐蝕疲勞加速裂紋擴(kuò)展等。張寶祥等[6]分析了一臺(tái)臥式內(nèi)燃蒸汽鍋爐管板特殊連接環(huán)中心出現(xiàn)較多環(huán)形裂紋缺陷問(wèn)題，指出設(shè)計(jì)與使用不合理導(dǎo)致疲勞裂紋產(chǎn)生，并提出了應(yīng)對(duì)措施。Khalifeh等[7]對(duì)循環(huán)熱水器的管板裂紋進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)裂紋源于焊接區(qū)域已穿過(guò)管孔，微觀結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn)粒間和穿晶裂紋，腐蝕產(chǎn)物中存在硫化物，管板表面存在濕碳質(zhì)沉積，分析指出濕碳質(zhì)沉積位置過(guò)熱導(dǎo)致材料處于敏化狀態(tài)，連多硫酸導(dǎo)致敏化狀態(tài)下的材料失效，氯化物和腐蝕劑的出現(xiàn)加劇了材料的腐蝕。Ding等[8]對(duì)一廢熱鍋爐省煤器管重復(fù)性發(fā)生腐蝕的原因進(jìn)行了分析，對(duì)從失效管處收集的沉積物進(jìn)行組織分析，發(fā)現(xiàn)了硫化物和氮化物，指出重復(fù)性腐蝕是由于硫酸的露點(diǎn)腐蝕，最后對(duì)腐蝕的機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的討論，并提出了對(duì)策。

TSG G0001—2012《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中規(guī)定碳素鋼受壓元件，其名義壁厚大于30mm的對(duì)接接頭或者內(nèi)燃鍋爐的筒體、管板的名義壁厚大于20mm的T形接頭，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行焊后熱處理。根據(jù)這一規(guī)定，據(jù)了解，目前大部分鍋爐制造廠家對(duì)于壁厚為30mm及以下的鍋爐元件焊接后不進(jìn)行焊后熱處理，這種情況就會(huì)造成鍋爐元件存在很大的焊接殘余應(yīng)力。本文通過(guò)對(duì)某單位熱電聯(lián)產(chǎn)的蒸汽鍋爐鍋筒環(huán)焊縫處產(chǎn)生橫向裂紋事故的調(diào)查分析，闡述了產(chǎn)生裂紋的可能原因，提出該類鍋爐防止裂紋產(chǎn)生的應(yīng)對(duì)措施和方法，對(duì)保障鍋爐安全運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。

1 事故概況

2 0 1 3年6月1 4日，在對(duì)東莞市某單位的一臺(tái)SHF×30-2.45/400-WⅠ型熱電聯(lián)產(chǎn)鍋爐進(jìn)行定期檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，該鍋爐上鍋筒靠爐右側(cè)封頭與筒體對(duì)接焊縫處有一條25mm的橫向裂紋，下鍋筒靠爐右側(cè)的環(huán)焊縫處有一條12mm的橫向裂紋，經(jīng)打磨焊縫余高仍未清除（如圖1所示）。該鍋爐制造時(shí)間為2000年4月1日，上下鍋筒的材質(zhì)均為20g，尺寸分別為φ1460×30mm和φ950×25mm。20g屬于低碳鋼，強(qiáng)度硬度不高，塑性韌性很好，20g的化學(xué)成分見表1。

表1 20g化學(xué)成分表

圖1 磁粉檢測(cè)裂紋圖片

2 原因調(diào)查分析

2.1 超聲檢測(cè)

將焊縫余高磨平，對(duì)有裂紋磁痕顯示部位焊縫進(jìn)行超聲波檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)上鍋筒缺陷深度最大為1.8mm，下鍋筒缺陷深度最大為1.6mm。

2.2 硬度檢測(cè)

對(duì)缺陷位置焊縫表面進(jìn)行里氏硬度檢測(cè)，在缺陷位置及正常位置各取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行硬度檢測(cè)，數(shù)據(jù)見表2。經(jīng)數(shù)據(jù)對(duì)比，未見異常。

表2 硬度檢測(cè)表

2.3 金相分析

對(duì)上鍋筒裂紋部位打磨平整光潔后進(jìn)行金相顯微組織檢測(cè)，結(jié)果如圖2所示，由圖2可得出以下結(jié)論：金相組織為鐵素體+珠光體+貝氏體，黑色線條為裂紋，裂紋附近區(qū)域大部分呈魏氏組織，少部分為貝氏體，魏氏組織為3級(jí)。

2.4 運(yùn)行中工況調(diào)查分析

圖2 上鍋筒裂縫處金相組織

通過(guò)與使用單位管理人員及鍋爐操作人員交談并查閱運(yùn)行記錄了解到，該鍋爐為備用鍋爐，由于企業(yè)生產(chǎn)的需要，此鍋爐啟停頻繁，負(fù)荷波動(dòng)較大。

2.5 鍋爐制造過(guò)程調(diào)查分析

通過(guò)查閱該鍋爐出廠資料，該鍋爐生產(chǎn)日期為2 0 00年4月1日，按當(dāng)時(shí)的鍋爐技術(shù)規(guī)范《蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第77條第一款規(guī)定：低碳鋼受壓元件，其壁厚大于30mm的對(duì)接接頭或內(nèi)燃鍋爐的筒體或管板的壁厚大于20mm的T形接頭，必須進(jìn)行焊后熱處理。根據(jù)該條款，鍋爐制造企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)壁厚為30mm及以下低碳鋼受壓元件可不進(jìn)行焊后熱處理。該鍋爐上、下鍋筒的壁厚分別為30mm和25mm，上下鍋筒在焊接后沒(méi)有進(jìn)行焊后熱處理，在與該鍋爐制造企業(yè)交流核實(shí)時(shí)也證明了這一點(diǎn)。

焊后熱處理的作用：1)松弛焊接殘余應(yīng)力；2)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸；3）改善母材、焊接接頭的性能；4）提高抗應(yīng)力腐蝕的能力；5）進(jìn)一步釋放焊縫金屬中的有害氣體，尤其是氫，防止延遲裂紋的產(chǎn)生；6）有利于消除過(guò)熱組織。

3 事故結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)和以上調(diào)查分析，筆者得出造成鍋爐鍋筒焊縫裂紋的原因主要有以下三方面：

3.1 焊接殘余應(yīng)力的影響

焊接過(guò)程中焊件的溫度分布不均勻，由它造成的局部塑性變形和比容不同是產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力的根本原因，因此只要進(jìn)行焊接操作就一定會(huì)有殘余應(yīng)力產(chǎn)生。焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)有如下影響：

1）對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的影響。

焊接殘余應(yīng)力是構(gòu)件還未使用時(shí)就已經(jīng)存在的初應(yīng)力，在構(gòu)件使用過(guò)程中和所受外力產(chǎn)生的應(yīng)力相互疊加，使構(gòu)件產(chǎn)生二次形變和殘余應(yīng)力重新分布，不僅會(huì)危害結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，還在介質(zhì)和溫度的共同影響下嚴(yán)重影響構(gòu)件的抗脆斷能力、疲勞強(qiáng)度、高溫蠕變開裂和抵抗應(yīng)力腐蝕開裂的能力。

2）對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響。

因?yàn)楹讣械暮附託堄鄳?yīng)力和外力作用生成的應(yīng)力產(chǎn)生疊加，造成材料達(dá)到它的屈服點(diǎn)，但是焊件的塑性性能無(wú)法完全的表現(xiàn)出來(lái)，導(dǎo)致局部應(yīng)力一直上升達(dá)到屈服極限，焊件無(wú)法繼續(xù)承載外力，焊件有效的承載面積減少，焊件的剛度也隨之減小。

3）對(duì)靜載強(qiáng)度的影響。

塑性材料在一定情況下會(huì)失去塑性或者構(gòu)件的塑性較低，殘余應(yīng)力會(huì)對(duì)構(gòu)件的靜力強(qiáng)度產(chǎn)生影響。因?yàn)闃?gòu)件不能產(chǎn)生足夠的塑性形變，在加載過(guò)程中，應(yīng)力的峰值一直變大，直至達(dá)到材料的強(qiáng)度極限后發(fā)生損壞。

本缺陷造成的主要原因是上下鍋筒焊接后沒(méi)有進(jìn)行焊后熱處理，存在焊接殘余應(yīng)力。

3.2 運(yùn)行工況的波動(dòng)性影響

經(jīng)調(diào)查了解得知，此鍋爐為該廠的備用鍋爐，啟停頻繁壓力波動(dòng)較大。由于溫度變化產(chǎn)生的溫度交變應(yīng)力和壓力頻繁變化產(chǎn)生的交變應(yīng)力，促進(jìn)了應(yīng)力集中的封頭與筒體的對(duì)接焊縫處裂紋的產(chǎn)生。

3.3 魏氏組織的影響

魏氏組織不僅晶粒粗大，而且由于大量鐵素體針片形成的脆弱面，大大降低了鋼的力學(xué)性能特別是沖擊韌性和塑性，同時(shí)也升高了脆性轉(zhuǎn)折溫度，這也會(huì)增加對(duì)接焊縫處產(chǎn)生裂紋的可能性。

綜上所述，鍋筒環(huán)焊縫處產(chǎn)生裂紋的主要原因是制造過(guò)程中未進(jìn)行焊后熱處理和運(yùn)行過(guò)程中頻繁啟停產(chǎn)生的交變應(yīng)力共同作用。

4 處理措施

事故原因找到之后，就要采取措施對(duì)缺陷部位進(jìn)行處理：

1)對(duì)裂紋區(qū)域進(jìn)行打磨消除缺陷。

2)采取合理的鍋爐運(yùn)行方式，避免鍋爐頻繁啟停和壓力頻繁波動(dòng)。

3)對(duì)此部位在運(yùn)行中嚴(yán)格監(jiān)控，且縮短檢驗(yàn)周期，半年一檢。

實(shí)施以上措施后，此問(wèn)題得到了徹底解決。2014年2月在對(duì)該爐再次進(jìn)行內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)，該部位正常。

5 建議

1）鍋爐制造環(huán)節(jié)中，應(yīng)對(duì)焊件進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后緩冷，條件允許下盡可能對(duì)焊接接頭進(jìn)行焊后熱處理。

2）TSG G0001—2012 《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和TSG G7002—2015 《鍋爐定期檢驗(yàn)規(guī)則》規(guī)定電站鍋爐內(nèi)部檢驗(yàn)結(jié)合鍋爐檢修同期進(jìn)行，一般應(yīng)當(dāng)每3～6年進(jìn)行一次。但對(duì)于此類未經(jīng)焊后熱處理或使用條件較惡劣的中壓鍋爐而言，筆者認(rèn)為時(shí)間偏長(zhǎng)，建議在《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和《鍋爐定期檢驗(yàn)規(guī)則》修訂時(shí)相應(yīng)縮短檢測(cè)周期，按非電站鍋爐的檢驗(yàn)周期安排內(nèi)部檢驗(yàn)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故隱患并進(jìn)行處理，避免鍋爐事故的發(fā)生。

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