不銹鋼蒸汽鍋爐裂紋原因分析

符有輝

摘 要：本文通過對裂紋外觀檢查，了解鍋爐的使用環(huán)境、介質(zhì)等因素，說明疲勞和應(yīng)力腐蝕是產(chǎn)生裂紋的主要原因。

關(guān)健詞：不銹鋼；疲勞；應(yīng)力腐蝕；裂紋

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.007

1 前言

有五個單位使用同一LSG型號的6臺燃油立式鍋爐，分別于2001、2002和2006年開始運行，在2007 年發(fā)現(xiàn)2臺鍋爐有滲漏現(xiàn)象。清除保溫層和垢雜物后發(fā)現(xiàn)本體上不同部位有大小不一的裂紋。在2008、2009和2010年分別有4臺又發(fā)現(xiàn)有上述同樣的裂紋現(xiàn)象。該批鍋爐的主要技術(shù)參數(shù)如下：

額定出力：0.2～0.35T/H；

額定壓力：0.04MP；

燃燒方式：輕柴油噴燃。

2 外觀檢查

去除垢雜物保溫層后，發(fā)現(xiàn)裂紋位置為出煙口與封頭連接處焊縫裂紋（見圖1）、進水管座周圍出現(xiàn)裂紋（見圖2）、封頭上部出現(xiàn)裂紋（見圖3）。把裂紋周圍的附著物去除后，沒有產(chǎn)生明顯的點蝕現(xiàn)象及塑性變形。

3 裂紋原因分析及討論

3.1 母材材料特性

該熱水鍋爐的主要材料用俗稱304的不銹鋼制造而成，304不銹鋼是按照美國ASTM標準生產(chǎn)出來的不銹鋼的一個牌號，相當于我國的0Cr19Ni9不銹鋼，含鉻19%，含鎳9%[1]。應(yīng)用不銹鋼防銹時，其原理在于，合金元素可生成致密的氧化膜，阻隔空氣氧化其內(nèi)的金屬元素。所以不銹鋼并不是“不銹”，但是不銹鋼在氯離子存在下的環(huán)境中，會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，甚至超過普通的低碳鋼。

3.2 出煙口與封頭連接處焊縫裂紋（圖1）

據(jù)現(xiàn)場觀察，鍋爐的煙囪是由鍋爐本體通過出煙口支承的，受力位置是出煙口與封頭的焊縫位置。由于煙囪直通大氣，空氣中有一定的濕度（特別是雨天時），當煙氣向上升與煙囪內(nèi)的空氣接觸。煙囪的水向下流動，遇高溫?zé)煔鈺r會焊接處產(chǎn)生熱脹冷縮現(xiàn)象。由于這種現(xiàn)象周期反復(fù)變化著的應(yīng)力的作用而在焊接薄弱處產(chǎn)生疲勞裂紋。

3.3 進水管座周圍出現(xiàn)裂紋（圖2）及封頭上部出現(xiàn)裂紋（圖3）

根據(jù)現(xiàn)場仔細觀察裂紋的特征（裂紋附近沒有明顯塑性變形和大量分叉的穿晶斷裂），認為是典型的應(yīng)力腐蝕裂紋。

（1）產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的因素。在含氯元素的離子介質(zhì)中，含鎳鉻奧氏體成分的不銹鋼較易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，熱水鍋爐主要應(yīng)用到的就是0Cr19Ni9不銹鋼，因此易被應(yīng)力腐蝕。

據(jù)向使用熱水鍋爐單位了解，該鍋爐的熱水直接是由自來水供給的，自來水中含有大量的氯離子，因具備了產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)因素。

某種金屬與某種介質(zhì)在其相應(yīng)的組合情況下產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，導(dǎo)致不同金屬腐蝕的介質(zhì)也不一樣，相應(yīng)金屬產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕就需要特定的腐蝕介質(zhì)。根據(jù)實際統(tǒng)計的工程事故數(shù)據(jù)得出，奧氏體不銹鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕時，氯離子介質(zhì)所引起的應(yīng)力腐蝕起到了很大作用，對于奧氏體不銹鋼來說，當材料上的溫度高于30℃且同時存在于一定濃度的氯離子中，便會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，隨著溫度不斷升高，僅需要很少的氯離子就能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕；尤其在50℃以上溫度的含氯離子的水溶液當中，奧氏體不銹鋼最易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕；氯離子的濃度和溫度的升高，在應(yīng)力腐蝕中起到了很大作用。

（2）進水管座周圍出現(xiàn)裂紋（圖2）。進水管座處于熱水鍋爐的下部，位于燃燒室旁，環(huán)境溫度較高。進水管連接著止回閥和截止閥，容易漏水，因此保溫層會受潮，而不斷加熱的過程中，氯離子的濃度也在不斷增加。此外，閥門修好或更換后不再漏水，鍋爐加熱的過程又會讓保溫層干燥了，保溫層在潮濕和干燥兩個環(huán)境里交替，這樣為氯離子在保溫層中聚集創(chuàng)造了有利條件。

當熱水鍋爐進水時，管座周圍的溫度相對較低，當進入鍋爐的自來水經(jīng)熱交換后，爐外壁溫度隨之升高。鍋爐內(nèi)環(huán)境不斷在潮濕和干燥中交替，金屬表面水膜中易溶的有害物質(zhì)及可能有害的物質(zhì)聚集在一起，在交替的環(huán)境中，金屬產(chǎn)生開裂問題所需要的溫度，比連續(xù)潤濕時開裂，所需要的溫度低得多。由此可見，該熱水鍋爐的應(yīng)力腐蝕裂紋應(yīng)起源于筒體的外壁。另鍋筒外壁溫度為80℃左右正是易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的溫度，可見該熱水鍋爐進水管座處完全符合產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的環(huán)境。

（3）本體上部出現(xiàn)裂紋（圖3）。立式燃油熱水鍋爐由于受受熱面積較少，煙氣循環(huán)路程較短，所以排出大氣的溫度較高（約200℃）[2]。據(jù)了解熱水鍋爐上的閥門也經(jīng)常漏水，這些水會沿著滬頂流入保溫層，當使用熱水時，鍋爐的水位降低，鍋爐頂形成一定的無水空間。爐壁溫度隨之升高，當泵打滿水后，爐壁溫度有一定的下降。也形成了交替潤濕和干燥，并且此處的壁溫較高約100℃，完全形成了產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的環(huán)境條件。產(chǎn)生的裂紋也比較嚴重。

4 結(jié)束語

如上分析，裂紋主要是疲勞和應(yīng)力腐蝕形成，所以應(yīng)加強出煙口與封頭間焊縫高度及熱水鍋爐上閥門儀表的管理。保證保溫層的干燥，控制水中的氯離子≤25ppm。

參考文獻：

[1]李丹.超（超）臨界火電機組傳熱管用不銹鋼的研究[D].江蘇大學(xué)，2010.

[2]顧衛(wèi)東.余熱鍋爐出口減溫器蒸汽法蘭失效分析[J].石油化工技術(shù)與經(jīng)濟，2014（03）：98-101.