廢熱鍋爐筒體環(huán)焊縫裂紋失效分析

尹建斌 邵冬冬 過世鈞 金學(xué)峰 柴斌斌

（寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 寧波 315048）

廢熱鍋爐筒體環(huán)焊縫裂紋失效分析

尹建斌 邵冬冬 過世鈞 金學(xué)峰 柴斌斌

（寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 寧波 315048）

某化工液氯裝置20G廢熱鍋爐筒體環(huán)焊縫上有橫向的裂紋，經(jīng)對(duì)該裂紋化學(xué)成分，宏微觀斷口，金相和硬度等分析，結(jié)合筒體環(huán)焊縫的受力情況，以及裂紋的位置，且其具體的工作環(huán)境，對(duì)橫向裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明：廢熱鍋爐的環(huán)焊縫裂紋是由于應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的，同時(shí)水質(zhì)的不良加速了裂紋的擴(kuò)展。

廢熱鍋爐 堿致應(yīng)力腐蝕 失效分析

1 問題概要

某化工企業(yè)液氯裝置整體搬遷，其中有兩臺(tái)廢熱鍋爐投用前進(jìn)行定期檢驗(yàn)（其具體參數(shù)和設(shè)計(jì)要求參見表1）經(jīng)射線檢測(cè)發(fā)現(xiàn)人孔端封頭與筒體連接的環(huán)焊縫有一橫向裂紋（位置詳見焊縫布置圖1），從底片上可以看出其貫穿整條焊縫，延伸到母材，總長約70mm，后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)該缺陷在內(nèi)表面，打磨清理后，可清晰看出為筒體內(nèi)部的淺表面裂紋，深度大約4～6mm呈樹枝分叉狀開裂（見圖2）。為了探討裂紋產(chǎn)生的原因，對(duì)筒體的環(huán)焊縫進(jìn)行了相關(guān)的檢查和分析。

表1 廢熱鍋爐設(shè)備技術(shù)參數(shù)

圖1 廢熱鍋爐焊縫位置

圖2 筒體內(nèi)表面環(huán)焊縫處裂紋

2 相關(guān)檢查與分析

2.1 化學(xué)成分

分別對(duì)廢熱鍋爐環(huán)焊縫裂紋部位焊縫區(qū)和母材區(qū)取樣進(jìn)行化學(xué)分析，其結(jié)果見表2。

表2 化學(xué)成分分析結(jié)果 （質(zhì)量百分?jǐn)?shù)%）

由表2可知，該母材和焊縫的化學(xué)成分都符合GB 6654—1996《壓力容器用鋼》。

2.2 宏觀檢驗(yàn)

該裂紋在內(nèi)表面，經(jīng)打磨處理整條裂紋呈樹枝分叉狀（見圖2、圖4），且在裂紋周圍有明顯的腐蝕痕跡（見圖3），從圖5、圖9可以看出裂紋與環(huán)焊縫的方向垂直并向母材擴(kuò)展，擴(kuò)展到母材后在裂紋尖端上衍射出細(xì)小網(wǎng)狀的二次裂紋。對(duì)裂紋取樣，垂直裂紋沿厚度方向切開，發(fā)現(xiàn)裂紋呈V型由焊縫內(nèi)表面向外表面擴(kuò)展，深度達(dá)到3～4mm，斷口部位區(qū)域呈棕黑色，有腐蝕跡象，裂紋深度不一，靠母材裂紋較淺。

2.3 金相組織、硬度分析

圖3 裂紋周圍腐蝕形貌

圖4 拋光后裂紋形貌

圖5 厚度截面上的裂紋形貌

焊縫區(qū)組織為先共析鐵素體加鐵素體加珠光體，母材區(qū)組織為鐵素體加珠光體，熱影響區(qū)為鐵素體加珠光體，少量的貝氏體，裂紋區(qū)組織與母材組織一致，裂紋橫斷截面的100倍組織也與母材基本一致，詳見圖6～圖9，從金相組織分析結(jié)果可以看出，試樣上所取的四個(gè)區(qū)的組織基本符合焊接過程中相應(yīng)區(qū)域的組織要求，特別是裂紋區(qū)組織與母材組織基本一致，且有大量針狀的鐵素體，其具有較好的防止裂紋擴(kuò)展的組織屬于良好力學(xué)性質(zhì)的組織。另外對(duì)裂紋焊縫區(qū)、裂紋熱影響區(qū)、外表面母材區(qū)和外表面熱影響區(qū)四個(gè)區(qū)域進(jìn)行里氏硬度的測(cè)定，其測(cè)定結(jié)果見表3，可以看出實(shí)測(cè)硬度值在材料硬度正常范圍內(nèi)，無明顯差異。

圖6 母材組織500×

圖7 裂紋區(qū)組織 500×

表3 外表面熱影響區(qū)實(shí)測(cè)硬度值

圖8 焊縫焊縫和熱影響區(qū)組織500×

圖9 裂紋橫斷面組織100×

2.4 工作環(huán)境分析

該設(shè)備1996年投入使用，是液氯裝置尾氣燃燒后的余熱回收裝置，熱水通過一個(gè)再沸器進(jìn)行加熱，然后進(jìn)入筒體內(nèi)，是自然循環(huán)的廢熱鍋爐的氣包；首先由于鍋爐蒸發(fā)量不是很大，有兩臺(tái)設(shè)備輪換運(yùn)行，2000～2010年間由于發(fā)生了消防事故，后來又搬遷，裝置經(jīng)常是間歇停車，一般情況下水側(cè)在高溫時(shí)筒體鐵與水發(fā)生反應(yīng)，形成氧化鐵保護(hù)層，但停機(jī)時(shí)溫度變化過大，會(huì)使保護(hù)層破裂，鐵在低溫會(huì)與水作用，但不能生成氧化鐵保護(hù)層，由于停機(jī)過久會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)蝕；同時(shí)水質(zhì)管理比較混亂，鍋爐水雖然經(jīng)過脫鹽、脫氧和加藥等嚴(yán)格處理，但水質(zhì)分析偏堿性。

3 綜合分析和結(jié)論

該廢熱鍋爐筒體的工作壓力為1.43MPa，工作溫度為195℃，根據(jù)無力矩理筒體的環(huán)向應(yīng)力為軸向應(yīng)力的兩倍，且筒體與封頭連接的環(huán)焊縫殘余應(yīng)力最集中的地方，所以該焊縫位置受到最大的應(yīng)力；筒體裂紋的方向與環(huán)焊縫垂直，從裂紋的宏觀形態(tài)可以看出呈放射狀，先從焊縫出開始，向兩邊母材擴(kuò)展；再結(jié)合裂紋試樣的斷口面分析，裂紋起始位置位于焊縫內(nèi)表面，在此處起裂后沿壁厚方向往外擴(kuò)展；焊縫附近有明顯的腐蝕坑，在沒有打磨前結(jié)有水垢銹堆，發(fā)生了嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致微裂紋的形成，繼而在機(jī)械應(yīng)力、殘余應(yīng)力、熱應(yīng)力和電化學(xué)腐蝕的共同作用下微裂紋開始擴(kuò)展長大；該設(shè)備的水質(zhì)疏于管理，未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，水垢含有大量的Ca和Na元素，水質(zhì)堿性溶度偏大，加之195℃左右的蒸汽溫度，為腐蝕提供了環(huán)境和溫度，另外該裂紋靠近液面附近，沿筒體軸向擴(kuò)展，而此區(qū)域是鍋爐內(nèi)極易產(chǎn)生結(jié)垢位置，此部位在195℃環(huán)境中液面波動(dòng)可能會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，所以從廢熱鍋爐筒體裂紋實(shí)際情況來看，水質(zhì)對(duì)裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展具有較大影響。綜上所述，該鍋筒環(huán)焊縫橫向裂紋，主要是環(huán)焊縫內(nèi)壁產(chǎn)生嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕，繼而在環(huán)向應(yīng)力的作用下產(chǎn)生微裂紋，進(jìn)而在堿性比較大的環(huán)境和應(yīng)力的共同作用下，裂紋開始擴(kuò)展，最終沿壁厚方向貫穿。廢熱鍋爐經(jīng)常出現(xiàn)的一種腐蝕現(xiàn)象，即在焊縫殘余應(yīng)力比較大且水質(zhì)堿性比較大的兩種條件下，對(duì)碳鋼形成的一種應(yīng)力腐蝕，簡稱堿致應(yīng)力腐蝕。

此類廢熱鍋爐要嚴(yán)格控制制造焊接質(zhì)量，在使用管理方面加強(qiáng)給水的水質(zhì)管理，減少結(jié)垢，緩解電化學(xué)腐蝕發(fā)生。

在成套化工和節(jié)能減排裝置中該類似廢熱鍋爐比較常見，在定期檢驗(yàn)過程中，要針對(duì)該類型的應(yīng)力腐蝕的檢驗(yàn)，尤其重點(diǎn)對(duì)筒體內(nèi)表面的檢查，確保設(shè)備安全運(yùn)行。

1 何家勝，陳才，彭丹柳，楊紅，劉杰. 廢熱鍋爐筒體環(huán)焊縫開裂失效分析[J].石油化工腐蝕與防護(hù),2011 (2).

2 黃瑩，李建明，陳志，蒯念生. 廢熱鍋爐產(chǎn)生裂紋的事故分析與安全管理[J].四川化工,2008 (6).

3 潘金平, 潘柏定, 程宏輝, 祝新偉. 20G 硬度與球化關(guān)系研究及壽命評(píng)估新方法[J]. 材料熱處理技術(shù),2012 (12).

Failure Anlysis of a Crack on the Girth weld of a Waste Heat Boiler Cylinder

Y
in Jianbin Shao Dongdong Guo Shijun Jin Xuefeng Chai Binbin
( Ningbo Institute of Special Equipment Inspection Ningbo 315048)

A transverse crack is found on the girth weld of a waste heat boiler.According to chemical composition, macro/micro fracture of the crack, hardness and metallographic analysis is done for the crack, in combination with the stress analysis of the girth weld、the location of the crack and the specifc work environment , the cause of transverse crack is analyzed. The results shows that the transverse crack on the girth weld of the waste heat boiler is generated by stress corrosion, and harmful water quality accelerated the crack extension.

Waste heat boiler Transverse crack Failure analysis Alkali stress corrosion

X928.3

B

1673－257X(2014)11－26－03

10.3969/j.issn.1673-257X.2014.11.008

尹建斌（1974～），男 ，高級(jí)工程師，從事特種設(shè)備檢驗(yàn)工作。

2014-07-23）