鍋筒集中下降管角焊縫裂紋分析

馬旭旭 朱永滿(mǎn)

（安徽省特種設(shè)備檢測(cè)院，安徽 合肥 230000）

0 引言

安徽某生物質(zhì)電廠(chǎng)鍋爐鍋筒內(nèi)徑為1 600 mm，筒體壁厚為70 mm，筒體總長(zhǎng)度為1 2120 mm，筒體用鋼材材質(zhì)為13MnNiMoR，下降管管座材質(zhì)為15CrMo。鍋筒筒身由13MnNiMoR 鋼板卷焊而成，封頭是用同種鋼板沖壓而成。鍋筒按設(shè)計(jì)支撐在兩根集中下降管上，通過(guò)下降管管接頭相連接，鍋筒上所有管接頭焊接后進(jìn)行退火處理。

該臺(tái)鍋爐2017年開(kāi)始建設(shè)，2018年4月投產(chǎn)，2019年4月進(jìn)行第一次內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)兩根集中下降管角焊縫（鍋筒內(nèi)側(cè)）出現(xiàn)整圈斷續(xù)裂紋，裂紋最大連續(xù)長(zhǎng)度為110 mm。對(duì)裂紋進(jìn)行打磨消除，打磨最深處約16 mm。裂紋打磨消除后進(jìn)行補(bǔ)焊，熱處理完成后進(jìn)行100%MT+100%UT 檢測(cè)無(wú)缺陷。2021年6月進(jìn)行第二次內(nèi)部檢驗(yàn)，右側(cè)集中下降管角焊縫未發(fā)現(xiàn)可記錄缺陷，左側(cè)集中下降管角焊縫（鍋筒內(nèi)部）存在多處裂紋，最長(zhǎng)為70 mm。

該部位裂紋長(zhǎng)期存在嚴(yán)重威脅到鍋爐的安全使用，需找到裂紋產(chǎn)生的原因并將其徹底消除，以保證鍋爐安全運(yùn)行。

1 產(chǎn)生裂紋原因分析

該爐型鍋筒固定形式設(shè)計(jì)為整個(gè)鍋筒支撐在兩根集中下降管上，爐后側(cè)2 排上升管起協(xié)助固定作用。該型式與傳統(tǒng)的懸吊式鍋爐不同，集中下降管角焊縫的受力形式變得更加復(fù)雜。其裂紋的產(chǎn)生必然是多方面因素共同作用的結(jié)果。圖1 為角焊縫裂紋的分布圖。

圖1 角焊縫裂紋分布圖

1.1 材料分析

鍋筒筒體材料為13MnNiMoR，下降管管座材料為15CrMo，其角焊縫焊絲選用HO8Mn2MoA（NB/T47018.4-2017），三種材料元素含量如表1 所示。

表1

根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)碳當(dāng)量計(jì)算公式：CE（IIW）=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Cu+Ni）/15，鍋筒筒體碳當(dāng)量為0.53，下降管管座碳當(dāng)量為0.56，焊絲碳當(dāng)量為0.498。鍋筒筒體和下降管管座材料碳當(dāng)量均大于0.5%，焊絲碳當(dāng)量極0.5%，接近說(shuō)明該角焊縫所涉及的3 種材料均具有較高的淬硬傾向和冷裂紋敏感傾向。焊接冷裂紋是焊接生產(chǎn)中較為普遍的一種裂紋，它是在焊后冷卻至低溫下產(chǎn)生的，這種裂紋常發(fā)生在低合金鋼的熱影響區(qū)，主要受碳當(dāng)量、氫含量以及拘束度的影響。由于鍋筒筒體和下降管管座所用的鋼材較厚，冷裂紋產(chǎn)生的概率也就相對(duì)較大。而13MnNiMoR 鋼的C、S 及P 元素的含量非常低，Mn 含量及Mn/S（含量比值）較高，因此，熱裂紋的傾向較小[1]。

1.2 結(jié)構(gòu)分析

該鍋爐集中下降管管接頭與鍋筒連接方式為插入式，結(jié)構(gòu)不連續(xù)。有關(guān)研究表明，90°插入式焊接結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大處在其拐角處，即角焊縫處，其應(yīng)力集中系數(shù)高達(dá)4.25 以上[2]。另外該鍋筒壁厚為70 mm，這就造成了下降管管接頭在焊接時(shí)需要多層多道焊，造成焊縫具有極大的剛性及拘束度，焊后存在較大的殘余應(yīng)力，這是產(chǎn)生裂紋的重要原因，同時(shí)隨著管接頭的直徑及壁厚增大，在厚壁結(jié)構(gòu)下較高的焊接殘余應(yīng)力對(duì)裂紋的形成，特別是對(duì)裂紋的擴(kuò)展具有較強(qiáng)的促進(jìn)作用。

圖2 插入式結(jié)構(gòu)角焊縫裂紋

1.3 鍋爐運(yùn)行分析

任何材料中都會(huì)或多或少存在缺陷或裂紋。該角焊縫在制造完成時(shí)無(wú)宏觀(guān)裂紋，但是微觀(guān)裂紋僅用MT 檢測(cè)和UT 檢測(cè)是無(wú)法檢測(cè)出來(lái)的。材料內(nèi)部微小缺陷處，在外力作用下會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)集中應(yīng)力超過(guò)材料能承受的最高限度時(shí)，該缺陷就會(huì)擴(kuò)展，并且擴(kuò)展速度會(huì)隨著缺陷的增大而加快，最終發(fā)展為宏觀(guān)裂紋，甚至斷裂。

鍋爐在設(shè)計(jì)時(shí)其安全系數(shù)取值較高，且從該臺(tái)鍋爐開(kāi)始運(yùn)行至第二次內(nèi)部檢驗(yàn)期間，鍋爐未出現(xiàn)超壓運(yùn)行現(xiàn)象，所以該下降管宏觀(guān)裂紋是由微觀(guān)裂紋擴(kuò)展而來(lái)的。鍋爐在運(yùn)行時(shí)所受的交變應(yīng)力就是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的應(yīng)力。此交變應(yīng)力分為兩類(lèi)，一類(lèi)為溫度變化引起的熱交變應(yīng)力，另一類(lèi)為機(jī)械振動(dòng)引起的機(jī)械交變應(yīng)力。

鍋爐在啟停爐過(guò)程中伴隨著溫度變化。金屬材料受熱在升溫時(shí)膨脹，降溫時(shí)收縮。由于鍋筒材料和下降管材料不一樣，其線(xiàn)膨脹系數(shù)也不一樣，導(dǎo)致在溫度變化時(shí)鍋筒和下降管無(wú)法同步膨脹，則在鍋筒和下降管交界處（連接角焊縫）必然會(huì)存在內(nèi)應(yīng)力，溫度變化程度越劇烈，此內(nèi)應(yīng)力越大[3]。在鍋爐啟停過(guò)程和運(yùn)行參數(shù)波動(dòng)較大時(shí)，每一次啟停或者參數(shù)波動(dòng)，都會(huì)使金屬材料承受一次應(yīng)力循環(huán)，每一次循環(huán)都有可能使材料中存在的微觀(guān)缺陷就擴(kuò)張，當(dāng)承受的循環(huán)達(dá)到一定的次數(shù)后，微觀(guān)缺陷會(huì)累積，直至擴(kuò)展為宏觀(guān)裂紋。由于該鍋爐鍋筒設(shè)計(jì)并非懸吊式，而是支撐在下降管上，所以在運(yùn)行過(guò)程中也會(huì)承受一定的機(jī)械振動(dòng)引起的交變應(yīng)力[4]。

2 第一次內(nèi)檢后修理情況

在2019年4月進(jìn)行第一次內(nèi)部檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)裂紋后，使用單位對(duì)裂紋部位進(jìn)行了修理，其修理工藝如下：

（1）缺陷打磨：使用砂輪磨光機(jī)打磨有裂紋缺陷部位，直至裂紋徹底清除。打磨過(guò)程中，注意觀(guān)察和檢測(cè)缺陷深度和長(zhǎng)度。如果缺陷深度在3 mm 以?xún)?nèi)可以打磨干凈的，無(wú)須進(jìn)行補(bǔ)焊，只需將缺陷區(qū)域與周?chē)蚰A滑過(guò)渡即可；如若缺陷深度超過(guò)3 mm，則需要打磨干凈后進(jìn)行補(bǔ)焊處理。

（2）打磨區(qū)域復(fù)檢：缺陷打磨干凈后進(jìn)行100%MT 檢測(cè)，符合NB/T47013—2015《泵壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》中I級(jí)合格要求。

（3）焊接返修。

a.焊前預(yù)熱：采用火焰加熱。將需要補(bǔ)焊的焊縫及焊縫周?chē)?0 mm 范圍預(yù)熱至100℃以上，預(yù)熱時(shí)應(yīng)緩慢、均勻加熱。

b.焊接規(guī)范：采用氬弧焊工藝，焊絲H08Mn2MoA，電流140～170 A，電壓12～16 V，氬氣流量8～12L/min，多層多道焊。

c.施焊過(guò)程中，應(yīng)控制層間溫度不低于預(yù)熱溫度，且不高于250℃。焊接中應(yīng)特別注意接頭和收弧質(zhì)量，收弧時(shí)應(yīng)將熔池填滿(mǎn)，多層多道焊的接頭應(yīng)錯(cuò)開(kāi)。焊接中焊工應(yīng)隨時(shí)進(jìn)行自檢，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。

d.補(bǔ)焊后焊縫尺寸應(yīng)達(dá)到圖紙要求，并與周?chē)缚p或母材表面圓滑過(guò)渡。每道焊后應(yīng)立即錘擊去除應(yīng)力。

e.焊后熱處理：全部補(bǔ)焊完畢后，應(yīng)采用電加熱設(shè)備立即對(duì)返修區(qū)域進(jìn)行焊后熱處理，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T47014—2011《泵壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》。熱處理規(guī)范：熱處理溫度630℃，保溫時(shí)間3 h。

（4）焊后檢測(cè)。

a.外觀(guān)檢查：焊縫尺寸應(yīng)滿(mǎn)足圖紙要求，并與周?chē)缚p或母材表面圓滑過(guò)渡，焊縫及熱影響區(qū)表面無(wú)裂紋、氣孔、咬邊、夾渣等缺陷。

b.無(wú)損檢測(cè)：對(duì)補(bǔ)焊部位及其周?chē)?0 mm 范圍進(jìn)行100%MT+100%UT 檢測(cè)，應(yīng)符合NB/T 47013.4—2015《泵壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)第4 部分：磁粉檢測(cè)》和NB/T 47013.3—2015《泵壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)第3 部分：超聲檢測(cè)》中I級(jí)合格要求。

修理工藝符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，但是在實(shí)際施工過(guò)程中，由于現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境惡劣等情況，會(huì)出現(xiàn)達(dá)不到要求的現(xiàn)象。如焊前預(yù)熱環(huán)節(jié)和焊后熱處理環(huán)節(jié)的工作質(zhì)量必然達(dá)不到鍋筒制造廠(chǎng)的工作質(zhì)量。這些都會(huì)造成修理無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)上述分析，該鍋筒在制造出廠(chǎng)時(shí)，其下降管角焊縫中存在較大的焊接殘余應(yīng)力，在運(yùn)行過(guò)程中頻繁啟停，運(yùn)行不穩(wěn)定，在兩方面原因綜合作用下，最終導(dǎo)致了裂紋的產(chǎn)生，嚴(yán)重威脅到鍋爐的安全運(yùn)行。

設(shè)備制造單位應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行制造工序，尤其是壁厚較大的工件的制造。鍋爐使用單位在啟爐過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照啟動(dòng)曲線(xiàn)進(jìn)行升溫升壓，在停爐時(shí)嚴(yán)格按照停爐曲線(xiàn)進(jìn)行降溫降壓，要保持鍋爐運(yùn)行參數(shù)的穩(wěn)定，將鍋爐受到的熱應(yīng)力降到最小。