鍋爐水冷壁管角焊縫裂紋成因分析及預(yù)防措施

劉 凱

（福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院龍巖分院，福建 龍巖 364000）

鍋爐水冷壁管角焊縫裂紋成因分析及預(yù)防措施

劉 凱

（福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院龍巖分院，福建 龍巖 364000）

文中對一起鍋爐水冷壁管漏水案例進(jìn)行了調(diào)查，通過磁粉檢測、金相分析等方法對裂紋進(jìn)行了分析，最終判定裂紋為堿性溶液中的應(yīng)力腐蝕裂紋，并根據(jù)裂紋形成的原因提出了有針對性的預(yù)防措施。

鍋爐；角焊縫裂紋；應(yīng)力腐蝕裂紋；預(yù)防措施

1 前言

鍋爐作為重要的能量轉(zhuǎn)換裝置，能為工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活提供必要的熱能，因此在各領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。人們通過改進(jìn)鍋爐的結(jié)構(gòu)，不斷提高鍋爐的安全性和熱效率。然而，鍋爐安全事故依然無法完全避免。由于鍋爐傳熱介質(zhì)為高溫高壓水蒸汽或高溫導(dǎo)熱油等，一旦鍋爐超溫超壓或者發(fā)生腐蝕、鼓包、爆管等安全隱患，如果未及時處理，非常容易造成安全事故。如果發(fā)生鍋爐爆炸事故，由于蒸汽體積在爆炸時瞬間膨脹幾百倍，會形成威力極其巨大的沖擊波，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人身傷亡。[1］鍋爐常見的失效模式有磨損、變形、腐蝕、裂紋等。其中裂紋是焊接接頭中最嚴(yán)重的一種缺陷，如果不及時發(fā)現(xiàn)并返修，輕則影響生產(chǎn)，重則引發(fā)嚴(yán)重的事故。鍋爐裂紋常見的形成機(jī)理有機(jī)械疲勞、應(yīng)力腐蝕、蠕變破壞、熱疲勞作用等。[2］文中從調(diào)查一起鍋爐水冷壁管角焊縫漏水案例出發(fā)，通過磁粉檢測、金相分析等檢測手段，最終判定了裂紋的性質(zhì)和形成機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上探討了預(yù)防此類裂紋形成的措施。

2 鍋爐裂紋缺陷概況

龍巖市長汀縣某廠有一臺雙鍋筒縱置式鏈條爐排鍋爐，型號為SZL6-1.25-WⅡ2，鍋爐額定蒸發(fā)量為6t/h，額定工作壓力為1.25MPa，額定出口蒸汽溫度為193℃。鍋爐制造單位為福建福鍋鍋爐有限公司，制造日期為2008年1月，2008 年9月開始投入使用，平均每天運(yùn)行8小時左右，運(yùn)行期間該廠司爐工并未發(fā)現(xiàn)異常。2014年8月該鍋爐停爐內(nèi)檢時，檢驗員發(fā)現(xiàn)鍋爐上鍋筒兩處有滲漏痕跡，如圖1所示。

圖1 角焊縫滲漏痕跡照片

發(fā)現(xiàn)這種情況，檢驗員立即要求該廠管理人員拆除滲漏部位的外部保溫層及上鍋筒的汽水分離器，并對滲漏處的管口角焊縫及其熱影響區(qū)進(jìn)行打磨。經(jīng)宏觀檢查，鍋筒內(nèi)基本沒有水垢。隨后進(jìn)行磁粉檢測后確認(rèn)，上鍋筒右側(cè)由下往上數(shù)第二排，由后往前數(shù)第二根水冷壁管角焊縫發(fā)現(xiàn)一處焊趾裂紋，長約40mm；上鍋筒左側(cè)由下往上數(shù)第二排，由前往后數(shù)第六根水冷壁管角焊縫熱影響區(qū)兩處裂紋，一處長約5mm，一處長約8mm。這兩處裂紋已經(jīng)擴(kuò)展成穿透性裂紋，如圖2所示。上鍋筒內(nèi)的水在蒸汽壓力的作用下滲透出來形成水痕。

圖2 滲漏處穿透性裂紋照片

在對這兩處滲漏點所在的水冷壁管進(jìn)行打磨和磁粉檢測后，為了確定裂紋的范圍，檢驗員又對周圍的水冷壁管角焊縫進(jìn)行了打磨和磁粉檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了大量類似的裂紋。最后將磁粉檢測范圍擴(kuò)大到整個上鍋筒的剩余水冷壁管角焊縫，又發(fā)現(xiàn)了大量密集裂紋，長度大多在3mm到10mm之間。由于裂紋數(shù)量大，范圍廣，維修起來很困難，且維修費(fèi)用非常高，因此這臺鍋爐實際上已經(jīng)失去了維修的意義。最后，該廠只能將該鍋爐做報廢處理，遭受了很大的經(jīng)濟(jì)損失。為了避免此類裂紋缺陷再次發(fā)生，下面將對該裂紋的性質(zhì)及成因進(jìn)行調(diào)查分析。

3 裂紋性質(zhì)探討

3.1 審查資料

通過對該鍋爐出廠質(zhì)量證明書和竣工圖進(jìn)行審查發(fā)現(xiàn)，該鍋爐鍋筒的材質(zhì)為20g，水冷壁管的材質(zhì)為20鋼，屬于常見的鍋爐用低碳鋼。鍋筒的公稱壁厚為16mm，水冷壁管的公稱壁厚為4mm。

3.2 壁厚測量

在現(xiàn)場用超聲波測厚儀對鍋筒和水冷壁管的壁厚進(jìn)行測量，未發(fā)現(xiàn)明顯減薄，可以排除材料因壁厚減薄導(dǎo)致的承壓強(qiáng)度下降。

3.3 硬度檢測

用里氏硬度計對裂紋所在焊縫的鋼材熱影響區(qū)進(jìn)行硬度檢測，硬度平均值為118HB，證明鋼材的材質(zhì)無異常，在使用過程中并未發(fā)生過熱現(xiàn)象。

3.4 磁粉檢測

用B310S型磁粉檢測儀對鍋筒滲漏處角焊縫及其熱影響區(qū)進(jìn)行磁粉檢測，磁化方法為磁軛法，磁粉類型為紅磁膏，靈敏度試片為A1-30/100，磁懸液為15g/L水磁懸液，磁化時間為1s～3s。磁粉檢測后發(fā)現(xiàn)的缺陷照片如圖3和圖4所示。

圖3 滲漏處裂紋照片1

圖4 滲漏處裂紋照片2

從圖3和圖4可以看出，裂紋多為垂直于角焊縫軸線的橫向裂紋，呈斷續(xù)分布，從角焊縫上往焊縫熱影響區(qū)延伸，裂紋形態(tài)呈現(xiàn)龜裂或網(wǎng)狀開裂的特征。從之前滲漏處打磨后的照片可以看出，一些裂紋已經(jīng)延伸到熱影響區(qū)并形成了穿透性的裂紋。

3.5 光譜檢測

用手持式X射線光譜合金分析儀對裂紋所在處周圍的鍋筒部分進(jìn)行光譜檢測，測得的鍋筒材質(zhì)的化學(xué)成分和鍋爐產(chǎn)品質(zhì)量證明書中20g的化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)基本一致，說明鍋筒的材質(zhì)在鍋爐使用過程中并未發(fā)生明顯變化，可以排除因材質(zhì)劣化導(dǎo)致承壓強(qiáng)度下降而誘發(fā)的裂紋。

3.6 殘余應(yīng)力測量

使用盲孔法對裂紋周圍未開裂的鍋筒角焊縫及其熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力進(jìn)行測量。測得焊縫中心切向應(yīng)力最高達(dá)到180.5MPa，徑向應(yīng)力最高達(dá)到65.5MPa，熱影響區(qū)切向應(yīng)力最高達(dá)到80.4MPa，徑向應(yīng)力最高達(dá)到-56.3MPa。從測量結(jié)果可以看出，焊縫中心和熱影響區(qū)應(yīng)力以拉應(yīng)力為主，只有熱影響區(qū)的徑向應(yīng)力才是壓應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為焊縫中心切向應(yīng)力；焊縫中心應(yīng)力比熱影響區(qū)應(yīng)力高；切向應(yīng)力比徑向應(yīng)力高。裂紋在焊縫中心切向拉應(yīng)力的作用下萌生，并向熱影響區(qū)擴(kuò)展，這和裂紋以橫向裂紋為主的事實相符。20g的常溫屈服強(qiáng)度為245MPa，大于鍋筒角焊縫和熱影響區(qū)測量的最大殘余拉應(yīng)力。這說明除了應(yīng)力原因，還有其他因素共同導(dǎo)致焊縫開裂。

3.7 金相分析

在現(xiàn)場將焊縫磨平后，使用便攜式金相分析儀制作金相試樣，在金相顯微鏡下觀察到的金相照片如圖5所示。

圖5 裂紋金相照片

從金相照片中可以看出，鍋筒的金相組織為鐵素體加珠光體，為20g的正常組織形態(tài)。晶粒無異常增大跡象，且未發(fā)現(xiàn)碳化物在晶界處析出聚集，說明金屬在使用過程中未發(fā)生過熱現(xiàn)象。主裂紋形態(tài)呈樹枝狀，屬于延晶裂紋。

4 裂紋成因分析

從上述裂紋特征可以看出，焊縫金屬在未發(fā)生材質(zhì)劣化且應(yīng)力未超過其抗拉強(qiáng)度的情況下發(fā)生了開裂。除此之外，該鍋爐平時有定期添加防垢劑，防垢劑的主要成分為氫氧化鈉和磷酸三鈉。查閱該鍋爐最近的水質(zhì)檢驗報告。鍋水pH值的標(biāo)準(zhǔn)值為10.0～12.0，而鍋水pH值的實測值為12.5，超過標(biāo)準(zhǔn)上限值，相當(dāng)于濃度為3.2%的NaOH溶液。通過和司爐工交談得知，為了操作方便，他們并沒有按照防垢劑使用說明書來添加防垢劑，而是一次性將大量防垢劑加入水箱中，這樣操作會造成短時間內(nèi)鍋水的NaOH濃度值嚴(yán)重超標(biāo)。而由于焊縫邊緣微小溝槽的存在，NaOH溶液還會在那里聚集濃縮。研究證明，20g要發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，NaOH濃度要求是大于5%[3］。從上述分析可知，該鍋爐鍋水的NaOH濃度值在添加防垢劑初期應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過限定值，所以具備了應(yīng)力腐蝕開裂的介質(zhì)因素。除了介質(zhì)因素，應(yīng)力腐蝕開裂還必須具備兩個因素。第一個因素是金屬要處于拉應(yīng)力狀況下，這和焊縫金屬及其熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力分析結(jié)果相一致。第二個因素是必須為敏感的金屬，碳鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的碳含量敏感區(qū)間為0.001%～0.25%[3］，而20g的碳含量為≤0.20%，正好處在敏感區(qū)間。除此之外，裂紋的形貌特征也和應(yīng)力腐蝕裂紋形貌特征相符。因此，可以認(rèn)定該裂紋為堿性溶液中的應(yīng)力腐蝕裂紋。

5 預(yù)防措施

由于應(yīng)力腐蝕裂紋必須同時具備上述三大因素，因只需要保證其中的一個因素不具備即可預(yù)防應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生。材質(zhì)因素和應(yīng)力因素一般在設(shè)計制造階段已經(jīng)確定，所以最容易控制的是介質(zhì)因素。以本次鍋筒角焊縫開裂為例，如果司爐工嚴(yán)格按照鍋爐操作規(guī)程和防垢劑使用說明書來添加防垢劑，鍋水的NaOH濃度值就不會處于應(yīng)力腐蝕開裂的敏感區(qū)間。因此，只要嚴(yán)格遵守操作規(guī)范，應(yīng)力腐蝕裂紋完全可以避免。

6 結(jié)論

文中對一起鍋筒角焊縫開裂漏水案例進(jìn)行調(diào)查，對裂紋成因進(jìn)行了分析。通過各種檢測方法，最終確定裂紋為堿性溶液中的應(yīng)力腐蝕裂紋。同時，還針對應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生的三大因素，提出了有針對性的預(yù)防措施。希望文章能提高大家對于應(yīng)力腐蝕裂紋的認(rèn)知，對其做到科學(xué)防范，減少此類缺陷的產(chǎn)生。

[1］侯巍.議鍋爐事故檢測及其防治措施[J］.低碳世界, 2013,（8）： 167.

[2］張英豪,張云忠,楊楠.鍋爐壓力管道裂紋檢驗分析 [J］.中國機(jī)械, 2015, （8）：3-4.

[3］黃鑫,徐平,黎利明，等. 20#碳素鋼管的堿脆和防護(hù)措施[C］.北戴河：中國機(jī)械工程協(xié)會.1999.

Cause Analysis and Preventive Measures of Fillet Weld's Crack on the Water Wall Tube in Boiler

LIU Kai
(Longyan Branch of Fujian Boilers and Pressure Vessel Inspection Studying Institute, Longyan 364000, Fujian , China)

In this paper, we investigate a case of the water wall tube leakage in a boiler. We draw a conclusion that the crack is stress corrosion crack in an alkaline solution by using magnetic particle inspection andmetallographic analysis etc. We propose targeted preventive measures based on the cause of crack formation.

Boiler; Fillet weld's crack; Stress corrosion crack; Preventive measures

2016-02-15

劉 凱，男，福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院龍巖分院，工程師，碩士