廢熱鍋爐服役后筒體環(huán)焊縫處的斷裂失效研究

何家勝 張賢超 陳文龍 謝 飛 陳 才

（武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院)

廢熱鍋爐服役后筒體環(huán)焊縫處的斷裂失效研究

何家勝*張賢超 陳文龍 謝 飛 陳 才

（武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院)

某氮肥公司合成氨系統(tǒng)的一臺合成廢熱鍋爐筒體環(huán)焊縫周圍發(fā)生多處開裂。利用JB30B沖擊試驗(yàn)機(jī)對廢鍋筒體環(huán)焊縫處材料的斷裂韌性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，同時(shí)結(jié)合斷裂力學(xué)的基本理論對服役后廢熱鍋爐筒體環(huán)焊縫處的開裂失效進(jìn)行分析。結(jié)果表明：由于廢鍋焊縫區(qū)組織的晶界性能變差，使得材料的沖擊韌性顯著下降，抵抗裂紋擴(kuò)展的能力降低，最終在機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力及腐蝕環(huán)境的作用下，筒體環(huán)焊縫處發(fā)生多處晶間腐蝕開裂，從而導(dǎo)致筒體失效。

廢熱鍋爐 晶界 沖擊韌性 晶間腐蝕 裂紋 壓力容器

某氮肥公司合成氨系統(tǒng)的一臺合成廢熱鍋爐（以下簡稱廢鍋）經(jīng)檢修投入使用4個(gè)月后，其筒體環(huán)焊縫內(nèi)表面出現(xiàn)了多處垂直于焊縫方向的裂紋（如圖1所示），更換筒體2個(gè)月后又出現(xiàn)了同樣的情況。此廢熱鍋爐的筒體材質(zhì)為16MnR，壁厚為20 mm，直徑為1 800 mm，長度為7 150 mm；廢鍋殼程設(shè)計(jì)溫度為200°C，殼程介質(zhì)為飽和過熱水蒸氣。

圖1 廢熱鍋爐焊縫位置

1 焊縫區(qū)與母材區(qū)的沖擊韌性對比實(shí)驗(yàn)

沖擊韌性與斷裂韌性一樣其實(shí)際意義在于揭示材料的變脆傾向，沖擊韌性表示的是材料抵抗變形或斷裂的能力，即抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，沖擊韌性的高低是材料的韌性和脆性的衡量依據(jù)。

本次試驗(yàn)在JB30B沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，滿足國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 18658《擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)檢驗(yàn)用夏比V型缺口標(biāo)準(zhǔn)試樣》中對試驗(yàn)機(jī)及測量工具的各項(xiàng)要求，如圖2所示。

圖2 擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)

表1 夏比V型缺口標(biāo)準(zhǔn)擺錘沖擊試驗(yàn)試樣尺寸

圖3 試樣的結(jié)構(gòu)

圖4 打斷后的試樣

圖5 打斷后的試樣斷口

目前，我國有關(guān)壓力容器設(shè)計(jì)制造的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定，材料的沖擊試樣以夏比V型缺口、橫向取樣方式為主。沖擊試樣的缺口型式對材料的沖擊韌性影響非常大，夏比V型缺口比夏比U型缺口更為尖銳，更能反映材料的缺口和內(nèi)部缺陷對載荷的敏感性。沖擊試樣的取樣方向規(guī)定為 “橫向取樣”，主要是考慮到在鋼錠澆注時(shí)會形成偏析及含有雜質(zhì)，在軋制鋼板的過程中，這些不均勻部分和雜質(zhì)會順著金屬延伸方向形成纖維狀組織，從而使鋼板平行于軋制方向的力學(xué)性能高于垂直方向的力學(xué)性能。

本試驗(yàn)選用夏比V型缺口試樣，其尺寸如表1所示。試樣的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

分別從焊縫、熱影響區(qū)和母材區(qū)三個(gè)區(qū)域 （標(biāo)記為A、B、C）取樣，每個(gè)區(qū)域取2個(gè)試樣，分別標(biāo)記為A1、 A2， B1、 B2， C1、 C2。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

(1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過擺錘的沖擊試驗(yàn)后，試樣形貌如圖4、圖5所示。

從宏觀整體來看，焊縫區(qū)A材料的斷口要比熱影響區(qū)B和母材區(qū)C的斷口更加平滑，試樣A斷口為結(jié)晶狀，試樣B和試樣C斷口為纖維狀，結(jié)合斷裂力學(xué)相關(guān)理論，顯然試樣A發(fā)生的是脆斷，試樣B和試樣C為韌性斷裂。各斷口示意圖如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 試樣A斷口

圖7 試樣B斷口

圖8 試樣C斷口

由實(shí)驗(yàn)所測得的各試樣沖擊功數(shù)值如表2所示。

由于本文所探討的是通過對比沖擊韌性值來說明材料的韌脆轉(zhuǎn)變，因此需要將沖擊功換算為單位面積上的功,即沖擊韌性ak。其換算公式為:

換算后的各試樣沖擊韌性值如表3所示。

表2 各試樣的沖擊功Ak

表3 各試樣的沖擊韌性ak

由表3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，焊縫區(qū)材料的沖擊韌性要明顯低于熱影響區(qū)和母材區(qū)，即焊縫區(qū)材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力下降，易發(fā)生脆斷。

（2）斷口微觀檢查及分析

對裂紋斷口進(jìn)行掃描電鏡分析，如圖9所示。

圖9 裂紋斷口處SEM電鏡掃描照片

圖9（a）為放大500倍后觀察到的裂紋斷口形貌，可以看出斷口處有明顯的晶間開裂現(xiàn)象。為了進(jìn)一步觀察這種情況，對此處形貌放大，得1 500倍的微區(qū)情況，如圖9（b）所示，可以更為清晰地觀察到這種晶間開裂現(xiàn)象。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過對廢鍋焊縫區(qū)材料與母材區(qū)材料的沖擊韌性對比試驗(yàn)研究，可知廢鍋焊縫區(qū)材料的沖擊韌性要遠(yuǎn)小于母材區(qū)，結(jié)合斷口分析和沖擊韌性的值，可見焊縫區(qū)沖擊韌性下降非常明顯。由掃描電鏡可以明顯看到焊縫斷裂區(qū)存在晶間開裂現(xiàn)象。通過化學(xué)成分能譜檢驗(yàn)可知，晶間的P、S等元素嚴(yán)重超標(biāo)，P、S等元素使晶界弱化，導(dǎo)致材料的沖擊韌性值顯著下降。

從微觀上來看，金屬材料并不是理想的連續(xù)介質(zhì)，晶粒并不是想象中的那樣結(jié)合得很緊密，所有的晶粒都是離散的個(gè)體，而晶界在這些個(gè)體中充當(dāng)“粘合劑”的作用。從某種意義上說，晶界的性能好壞是材料發(fā)生韌性斷裂或脆性斷裂的關(guān)鍵。對該材料脆性斷口的研究表明：其微觀裂紋是沿晶界發(fā)展的，而這種現(xiàn)象通常是因?yàn)榫Ы缟嫌械诙嗑奂?，成分偏析，或存在晶間腐蝕、電化學(xué)腐蝕等因素，這些因素降低了晶界的結(jié)合力，從而導(dǎo)致了裂紋產(chǎn)生。

在該廢熱鍋爐中，由于焊接的熱影響，16MnR筒體在近焊縫區(qū)其材料組織的晶體產(chǎn)生了變形和再結(jié)晶。由于再結(jié)晶的作用，組織中的多個(gè)小晶粒聚集成尺寸較大的晶粒，同時(shí)晶界面的面積大為減少，而晶間間隙增加。由于晶界具有比晶粒更為疏松的原子結(jié)構(gòu)，在焊接的熱影響下，材料中的低熔點(diǎn)雜質(zhì)和晶間氣體遷移聚集到較大的晶間間隙中，而這些雜質(zhì)的偏聚又增大了沿晶腐蝕和應(yīng)力腐蝕的敏感性。該廢鍋裂紋起裂位置位于焊縫內(nèi)表面，在此處起裂后進(jìn)而沿壁厚方向向外擴(kuò)展。由于廢熱鍋爐在使用過程中流動的介質(zhì)為水，裂紋源在硫化氫和水汽轉(zhuǎn)換的復(fù)雜環(huán)境中發(fā)生了較為嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致微裂紋形成，繼而在機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力及電化學(xué)腐蝕的共同作用下裂紋開始擴(kuò)展長大。

3 討論

（1）該廢熱鍋爐在使用過程中由于流動介質(zhì)中含有Si、Ca、Na、S、Al、K等雜質(zhì)元素，使得裂紋源在硫化氫和水汽轉(zhuǎn)換的復(fù)雜環(huán)境中發(fā)生了較為嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致微裂紋形成。

（2）由廢鍋焊縫區(qū)材料與母材區(qū)材料的沖擊韌性對比可知，廢鍋焊縫區(qū)材料的沖擊韌性要遠(yuǎn)小于母材區(qū)，即焊縫區(qū)的沖擊韌性下降非常明顯。通過掃描電鏡觀察到焊縫區(qū)晶界有明顯開裂現(xiàn)象。最后得出結(jié)論：由于焊縫區(qū)存在電化學(xué)腐蝕，致使該區(qū)域晶界發(fā)生腐蝕開裂，從而導(dǎo)致焊縫區(qū)材料斷裂韌性明顯下降，最終導(dǎo)致筒體的失效。

（3）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及斷口的相關(guān)掃描圖片證實(shí)了下列判斷：由于筒體焊縫處組織發(fā)生再結(jié)晶，使得該處晶界面面積減小并有大晶粒形成；焊縫區(qū)組織出現(xiàn)明顯的雜質(zhì)偏聚，導(dǎo)致沿晶腐蝕的敏感性增強(qiáng)；在筒體的焊縫內(nèi)表面 （尤其是與筒體內(nèi)部介質(zhì)相接觸的液面）處發(fā)生的嚴(yán)重電化學(xué)腐蝕使得該處組織的晶界性能變差，出現(xiàn)沿晶腐蝕，導(dǎo)致微裂紋沿晶界發(fā)展。

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Fracture Failure Analysis of Waste Heat Boiler's Body Circumferential Weld

He Jiasheng Zhang Xianchao Chen Wenlong Xie FeiChen Cai

A nitrogen fertilizer company's waste heat boiler for synthetic ammonia system possess multiple cracking around the weld ring.Using the impact testing machine JB30B to analyze the material's fracture toughness of waste heat boiler weld combining with the basic theory of fracture mechanics to analyze the weld cracking failure.The results show that as the grain boundaries of weld zone show deteriorate properties,the impact toughness of the material decrease significantly,the ability to resist crack propagation reduces,and ultimately,the cylinder ring welds occur multiple intergranular corrosion cracking under the action of mechanical stress,thermal stress and corrosive environment,and resulting in cylinder failure.

Waste heat boiler;Grain boundary;Impact toughness;Intergranular corrosion；Crack;Pressure vessel

TQ 054

*何家勝，男，1958年生，教授。武漢市，430074。

2011-10-19）