一起鍋爐煙管漏水質(zhì)量事故的分析及解決辦法

戴 曦，黃為贊

（廣州天鹿鍋爐有限公司，廣東廣州 510931）

0 前言

筆者公司生產(chǎn)的一臺型號為WNS6-1.25-Q的鍋殼式燃氣蒸汽鍋爐，于2011年12月銷往西北地區(qū)，2012 年1 月完成安裝，在進行水壓試驗驗收的過程中，發(fā)現(xiàn)后管板右側(cè)與管板相連接的煙管端共有五處漏水，如圖1所示。

圖1 WNS6-1.25-Q鍋爐水壓試驗現(xiàn)場煙管漏水圖片

如圖2 所示，在用戶現(xiàn)場發(fā)生漏水的煙管端共有五處（序號1～5 加黑煙管），位于后管板右側(cè)，全部為長煙管（即第三回程煙管）。

鍋爐拉回制造廠重新進行檢測、評估，再次水壓試驗時，發(fā)現(xiàn)漏水的煙管端增加至八處。新增的三處同樣位于后管板，一根分布在右側(cè)，另外兩根分布在左側(cè)（圖2 序號之⑥～⑧）。

對于此類煙管漏水的現(xiàn)象，不少科學文獻作過詳細的分析，總結(jié)原因大概有如下幾種：

（1）焊接咬邊缺陷；

（2）環(huán)境驟冷驟熱產(chǎn)生的復雜應力作用；

圖2 漏水煙管分布圖

（3）焊接參數(shù)不合適引起過大的焊接殘余應力[1]。

本文針對管板的焊縫形式、殘余應力引發(fā)的冷裂紋、煙管撓度過大導致運輸途中產(chǎn)生“撓動”交變應力作用等缺陷的形成機理進行分析，提出煙管擾度過大導致運輸途中煙管產(chǎn)生震動、擾動，形成交變應力作用于角焊縫根部，最終導致煙管開裂的觀點，提出了增加煙管支撐以減少擾動變形的解決辦法。

1 缺陷現(xiàn)象分析

鍋爐使用的煙管為低中壓鍋爐用無縫鋼管20（GB3087-2008），規(guī)格為? 51X3。

圖3 煙管開裂位置示意圖

采用機械方法將漏水的煙管從鍋爐本體取下來，在開裂部位取樣，對裂紋形狀及焊縫兩側(cè)的母材進行金相分析，并對開裂煙管重新進行化學成份檢測和物理性能試驗。

將裂口試樣放在40×倍的顯微鏡下觀察，如圖4 所示。從圖片上看，角焊縫的根部形成一個尖角缺口，裂口剛好位于尖角處，在焊縫熔合線上。裂口無氧化、過燒等跡象。整條裂紋位于管子上部，由頂點向兩側(cè)延伸，裂紋的長度約占管子圓周長度的三分之一左右，為貫穿性開裂。

圖4 裂口試樣40×圖片

圖5“100×倍微觀金相組織圖”顯示，焊縫組織為鐵素體＋珠光體＋貝氏體，熱影響區(qū)組織為鐵素體＋珠光體＋貝氏體，平均晶粒度為3.5級，焊縫（熔合區(qū)、熱影響區(qū)等）沒有產(chǎn)生馬氏體等危險組織，組織晶粒度在合格范圍之內(nèi)。

圖5 100×倍微觀金相組織圖

按照GB3087-2008《低中壓鍋爐用無縫鋼管》、JB/T3375-2002《鍋爐用料入廠驗收規(guī)則》等標準的規(guī)定，對開裂煙管重新進行化學成份和物理性能檢驗（重新復驗委托第三方專業(yè)檢測機構(gòu)實施）。

表1、表2 的檢驗結(jié)果表明，煙管材質(zhì)符合GB3087-2008《低中壓鍋爐用無縫鋼管》標準的要求。

通過對缺陷的多方面分析，認為：

（1）煙管端漏水缺陷是由貫穿性裂紋所致；

表1 煙管化學成份分析（煙管溯源編號：11G-160）

表2 煙管的物理性能檢測（煙管溯源編號：11G-160）

（2）裂紋的屬性為冷裂紋，其形成和擴展的時間是在廠內(nèi)水壓試驗后至用戶現(xiàn)場安裝完畢的時間段內(nèi)；

（3）裂紋形成的原因跟煙管材質(zhì)因素無直接關聯(lián)，如母材（煙管）塑性不達標，或者焊接材料不符合，等等，可以排除在致裂因素之外；

（4）焊接工藝參數(shù)的影響（如焊接線能量偏大等）不是裂紋形成的主因。

2 煙管裂紋缺陷的原因分析

2.1 冷裂紋的形成條件

煙管因為在管板角焊縫熔合線上形成了貫穿性的冷裂紋而致漏。

冷裂紋通常在焊接接頭冷卻到100 ℃以下或在室溫下形成，它可能發(fā)生在焊縫金屬內(nèi)，但更多的是在焊接接頭的熱影響區(qū)內(nèi)產(chǎn)生。冷裂紋的產(chǎn)生主要與三個因素有關：焊縫金屬及熱影響區(qū)的淬硬組織（如馬氏體）的形成；焊縫金屬在焊接過程中氫的吸收和擴散；焊接接頭的拘束應力作用[2]。

一般認為，焊接接頭應力集中最嚴重的地方（如焊縫熔合線、咬邊缺陷等部位），也是擴散氫含量最高的地方，應力集中部位擴散氫的集聚是促使焊接冷裂紋形成的重要因素之一。

對于管板角接接頭，采用不同的焊縫形式將產(chǎn)生不同的應力集中效應。如果管孔不開坡口，管板角接接頭的焊縫形式為角焊縫，煙管側(cè)焊縫的根部將形成尖角狀，應力集中效應嚴重。如果管孔開坡口，焊縫形式為對接焊縫＋角焊縫的混合焊縫，焊縫與母材（煙管）的過渡較平緩，能有效地緩解應力集中效應，如圖6所示。

由于鍋殼式鍋爐后管板的換熱煙溫較低，與煙管的連接普遍采用了角焊縫形式（即管孔不開坡口），煙管側(cè)焊縫根部存在嚴重的應力集中效應，是產(chǎn)生冷裂紋的危險區(qū)域。

2.2 殘余內(nèi)應力的作用

管板角焊縫的拘束應力包括焊接殘余應力、外加負荷等等，拘束應力還可能來自于管板加工過程的殘余應力。

管板成形的加工工藝一般有兩種：冷旋壓＋熱沖孔成形工藝；熱沖壓一次成形工藝。采用熱沖壓一次成形的管板一般不再單獨進行退火處理。

圖6 管板角接接頭的兩種焊縫形式

成形后的管板，尤其是采用冷旋壓（冷成形）工藝加工的管板，內(nèi)部積累了大量的內(nèi)應力。采用熱沖壓成形的管板，按照GB/T25198-2010《壓力容器封頭》的要求，“當終壓溫度超過350 ℃并隨后空冷時，可免于單獨進行退火處理[3]”，但是，管板成形后一般都需要進行矯正，如果矯正方法不當（比如冷壓強力矯正），也會導致在管板內(nèi)部產(chǎn)生新的內(nèi)應力。如果管板成形后不再進行退火處理，在特殊的條件下，殘余內(nèi)應力的作用導致管板朝外（或朝內(nèi)）發(fā)生變形，這種變形會對聯(lián)系其中的管板角焊縫施加剪切、拉伸作用力，從而導致焊縫的應力集中部位（比如熔合線）發(fā)生開裂。

但是，不能由此推斷出管板殘余應力是冷裂紋產(chǎn)生的主要原因。

在殘余應力釋放的作用下，焊縫受到剪切應力，而煙管（母材）受到拉應力，剪切應力作用下的焊縫更容易產(chǎn)生疲勞開裂。也就是說，如果管板殘余應力是致裂的主因，那么必然存在部分沿焊縫開裂的裂紋，而不是全部在煙管母材上發(fā)生開裂。

2.3 煙管撓度過大在運輸途中產(chǎn)生撓變作用力的影響

WNS6-1.25-YQ 鍋爐的長煙管規(guī)格為：? 51 mm×3 mm，L =4 611 mm，短煙管規(guī)格為：? 51 mm×3 mm，L=3 760 mm。煙管兩端與管板采用焊接連接，中間沒有支撐。

圖7 煙管擾度變形示意圖

如圖7，煙管撓度的計算公式[4]：

其中：fmax——最大撓度（mm）；

l——中心長度（mm）；

q——均布載荷（kg/cm）；

E——彈性模量；

J——截面慣性矩（cm4）。

對于管子，Dn≥40時，f≤1.5/m。據(jù)此估算，在靜載荷下，長煙管的擾度在6～10 mm之間[5]。

如果在運輸鍋爐的過程中路面顛簸嚴重，煙管受到震動的影響，其撓度大大增加。

平時可以注意到，在吊裝鍋爐時會聽到爐內(nèi)煙管的相互碰撞和震動聲。

據(jù)此推斷，鍋爐在運輸顛簸比較嚴重的時候，煙管的撓度位移量會達到25 mm以上。

圖8 煙管支撐示意圖

長時間的運輸顛簸，再加上較大的撓度，長煙管上下?lián)蟿幼冃嗡a(chǎn)生的交變作用力作用于煙管端的角焊縫處。角焊縫根部熔合線的應力集中嚴重，熔合區(qū)晶粒粗大，力學性能（塑性、韌性等）稍差，在交變作用力與應力集中效應的共同作用下，此薄弱環(huán)節(jié)最先開裂。在撓動所形成的交變應力持續(xù)作用下，裂口不斷延伸、擴展，直至穿透管壁。

該鍋爐拉回制造廠后，漏水的煙管增加了三處，說明運輸過程跟煙管開裂有必然的聯(lián)系。

3 結(jié)論

根據(jù)以上的分析認為，煙管撓度過大是引起煙管開裂的主要原因，而煙管角焊縫根部的應力集中部位則成為裂紋源。

為了減少甚至杜絕此類煙管漏水質(zhì)量事故，建議從以下幾個方面加以改進。

（1）減少煙管的撓度

表3 建議增加支撐的煙管長度范圍

根據(jù)撓度計算公式：fmax=5ql4/（384EJ），隨著煙管長度的增加，撓度明顯增加；撓度與煙管的截面慣性矩成反比。因此，可以通過在煙管中間增加支撐點的辦法來有效減少煙管的撓度（如圖8）。短煙管或者外徑較大的煙管，撓度較小，其撓動變形量不足以對焊縫形成破壞作用。

對不同規(guī)格的煙管，規(guī)定了一個需要增加支撐的長度范圍，如表3 所示。

（2）對管板角接接頭采用“對接焊縫＋角焊縫”的混合焊縫形式，即在管孔上開焊接坡口，以改良角焊縫根部熔合線的尖角形狀，減緩應力集中效應。

（3）對于整裝鍋爐的吊裝及長途運輸，尤其是在路況顛簸的情況下，顛簸震動對煙管產(chǎn)生的撓動作用力使管板角焊縫形成冷裂紋的風險大為增加。所以，鍋爐的捆綁固定、減震、路況選擇、車速限制等裝運過程的控制措施應被列入鍋爐產(chǎn)品質(zhì)量控制的環(huán)節(jié)。

（4）減少管板加工后的殘余應力，建議在管板成形后，進行消除應力退火處理。

（5）在工藝上要求建立低氫的焊接環(huán)境，比如選用低氫型焊接材料，注意清除坡口邊緣母材表面的油污和水分，按要求嚴格烘干焊條，等等。

［1］余笑楓.WNS 燃氣熱水鍋爐管口裂紋的原因及對策［J］.工業(yè)鍋爐，2004（1）：51-54.

［2］陳裕川.鋼制壓力容器焊接工藝［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［3］GB/T25198-2010 壓力容器封頭［S］.

［4］蘇翼林.材料力學［M］.北京：高等教育出版社，1979.

［5］李之光.鍋爐強度計算標準應用手冊［M］.北京：中國標準出版社，1999.