臥式快裝鍋爐鍋筒裂紋失效分析及維修

陳國華 胡衛(wèi)朋 譚淵博 李盛好 譚啟勇

（廣西特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院a.玉林分院；b.桂林分院）

工業(yè)鍋爐是一種受熱、承壓、有發(fā)生爆炸危險(xiǎn)的特種設(shè)備［1］。 裂紋是導(dǎo)致該設(shè)備失效甚至發(fā)生事故的最危險(xiǎn)缺陷之一，也是導(dǎo)致鍋爐發(fā)生泄漏、爆炸等事故的最直接原因［2］，因此工業(yè)鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行一直是該領(lǐng)域?qū)＜业难芯繜狳c(diǎn)。 筆者對廣西玉林某林業(yè)公司的一臺鍋爐裂紋缺陷進(jìn)行失效分析，查明裂紋產(chǎn)生的機(jī)理，制定維修方案完成缺陷修復(fù)， 并提出針對性的預(yù)防措施，以避免類似裂紋的產(chǎn)生，保障鍋爐的安全運(yùn)行。

1 鍋爐裂紋情況

廣西玉林某林業(yè)公司的一臺DZL6-1.25-T 型鍋爐（圖1）發(fā)生漏水事故，筆者接到事故報(bào)告后，立即前往現(xiàn)場并對鍋爐進(jìn)行內(nèi)部檢驗(yàn)。

圖1 DZL6-1.25-T 型鍋爐整體結(jié)構(gòu)

1.1 宏觀檢查

該鍋爐鍋筒材料為Q245R，壁厚為22mm，有定期檢驗(yàn)和水質(zhì)化驗(yàn)合格報(bào)告，查看當(dāng)時(shí)的運(yùn)行記錄顯示水位、壓力無異常。 宏觀檢查鍋筒內(nèi)表面無明顯結(jié)垢情況，鍋筒底部正下方漏水處發(fā)現(xiàn)一條長100mm、寬約0.5mm 的穿透性裂紋，裂紋位于鍋筒中間對接環(huán)焊縫的一側(cè)邊緣，沿焊縫與母材熔合線方向延伸， 周邊有疑似微小裂紋缺陷，裂紋兩側(cè)母材區(qū)域未見明顯變形、鼓包和過燒現(xiàn)象，焊縫未見有咬邊、錯(cuò)邊等表面焊接缺陷。在焊縫同一側(cè)距離裂紋100mm 處有一表面排污裝置支撐板， 與鍋筒以角焊接頭的形式連接，角焊縫大致與鍋筒對接焊縫平行，該支撐板兩側(cè)堆積有少量垢渣。

1.2 無損檢測

對裂紋焊縫及裂紋兩端延伸300mm 范圍內(nèi)的焊接接頭和表面排污裝置支撐板角焊接接頭進(jìn)行清理打磨，直至露出金屬光澤，對這兩處區(qū)域進(jìn)行磁粉檢測，對鍋筒對接焊接接頭區(qū)域進(jìn)行超聲波檢測。 磁粉檢測發(fā)現(xiàn)，水側(cè)除穿透型裂紋外，未發(fā)現(xiàn)其他伴隨裂紋；火側(cè)發(fā)現(xiàn)主裂紋；兩側(cè)還伴有龜裂狀小裂紋，長度較短（2～10mm 不等）；表面排污裝置支撐板角焊接接頭未見裂紋缺陷。超聲波檢測發(fā)現(xiàn)，該裂紋區(qū)域以外未發(fā)現(xiàn)其他內(nèi)部缺陷，用超聲波測量主裂紋兩側(cè)小裂紋，最深約5mm。

1.3 金相顯微檢驗(yàn)

對焊縫和母材進(jìn)行光譜分析 （表1）， 符合Q245R 材料和熔敷金屬的成分要求，未發(fā)現(xiàn)硫、磷等元素超標(biāo)。 對斷口進(jìn)行顯微觀察，發(fā)現(xiàn)有疲勞輝紋形貌特征（圖2）；對母材和裂紋區(qū)域顯微組織進(jìn)行檢驗(yàn)，母材為鐵素體+珠光體，晶粒大小分布形態(tài)基本一致，未見魏氏組織（圖3）；裂紋區(qū)域金相顯示裂紋沿晶、穿晶都有，穿晶居多（圖4）。

表1 裂紋區(qū)域材料化學(xué)成分 %

圖2 斷口顯微形貌

圖3 母材正常顯微組織 ×200

圖4 裂紋尖端顯微組織 ×100

1.4 檢驗(yàn)結(jié)果

Q245R 具有良好的塑性和韌性，但如果在長期過熱的情況下，就會使材料組織劣化，力學(xué)性能降低，在溫度和壓力的共同作用下就會發(fā)生蠕變［3］，產(chǎn)生變形、鼓包最終破裂，且破裂處壁厚減薄明顯［4］。 然而，該鍋爐未發(fā)生變形而是直接破裂，不符合韌性斷裂特征。 從運(yùn)行記錄來看，該鍋爐未出現(xiàn)過缺水情況，宏觀檢查發(fā)現(xiàn)主裂紋寬約0.5mm，說明裂紋開裂時(shí)承受較大應(yīng)力［5］；從磁粉檢測結(jié)果來看，火側(cè)主裂紋兩側(cè)伴隨有龜裂狀裂紋而水側(cè)沒有， 初步斷定裂紋首先從火側(cè)產(chǎn)生，逐步向水側(cè)擴(kuò)展；再從顯微檢驗(yàn)結(jié)果來看，母材組織正常，斷口顯微形貌有疲勞輝紋特征，裂紋多為穿晶型，因此初步斷定該裂紋為疲勞裂紋［6］。

2 裂紋失效機(jī)理分析

該鍋筒材料為Q245R，壁厚22mm，不需要整體熱處理，所以焊后殘余應(yīng)力較大，再加上運(yùn)行過程中的拉應(yīng)力以及在焊縫邊緣結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的峰值應(yīng)力一起疊加，產(chǎn)生了應(yīng)力集中。 此外，連續(xù)排污裝置支撐板距離鍋筒對接焊縫較近，幾乎與鍋筒對接焊縫平行， 使得該區(qū)域水循環(huán)受阻，這一點(diǎn)從支撐板兩側(cè)堆積的少量垢渣可以看出。一方面，由于該處水循環(huán)受阻而流速慢，冷卻速度較其他部位慢，并且直接受到火焰輻射，使得該處還承受較大的溫差應(yīng)力，與前面的幾種應(yīng)力疊加，更加大了該部位的應(yīng)力。 另一方面，由于該處水循環(huán)受阻，使得支撐板兩側(cè)熱水停留時(shí)間較長，產(chǎn)生大量氣泡，氣泡與繞道而來的冷卻水相遇，會產(chǎn)生周期性的應(yīng)力載荷，進(jìn)而在多個(gè)應(yīng)力疊加的焊縫邊緣結(jié)構(gòu)不連續(xù)處產(chǎn)生疲勞裂紋［7］。另外，由于火側(cè)鍋筒外表面拉應(yīng)力更大，直接受火焰高溫輻射， 所以裂紋首先從火側(cè)壁面產(chǎn)生，這與檢驗(yàn)結(jié)果分析一致。

3 鍋爐維修

3.1 維修方案

基于以上裂紋失效機(jī)理分析，制定以下針對性的維修方案：

a. 移動(dòng)連續(xù)排污裝置支撐板的位置，使之遠(yuǎn)離主焊縫，采用評定合格的焊接工藝施焊，進(jìn)行100%磁粉檢測。

b. 由于該裂紋是因疲勞產(chǎn)生的損失，所以采用挖補(bǔ)的方法維修。 采用方形補(bǔ)板，尺寸規(guī)格為300mm×300mm×22mm， 補(bǔ)板的四角必須為圓角，圓 角 半 徑r ≥100mm［8］，材 料 采 用Q245R（GB 713—2014），焊條型號選E4315（NB/T 47018.2—2017、GB/T 5117—2012），打磨消除焊縫余高，進(jìn)行100%射線檢測。

3.2 維修過程

維修過程如下：

a. 將連續(xù)排污裝置的支撐板割除，并將遺留切口打磨至與母材平齊，將支撐板移位至離主焊縫300mm 處， 采用經(jīng)評定合格的焊接工藝和合格的持證焊工施焊， 焊接完成后進(jìn)行100%磁粉檢測，按NB/T 47013.4—2015 標(biāo)準(zhǔn)，Ⅰ級合格。

b. 將做好的開孔用樣板置于鍋筒缺陷處，畫好線后，按線將該缺陷部位整片割下，割下后稍做打磨，清除切口邊緣50mm 內(nèi)的污物；以同一塊放樣板在補(bǔ)板上落料，其長度和寬度均按樣板放大5mm。 在卷制補(bǔ)板時(shí)，考慮到補(bǔ)板的幅度回彈會造成補(bǔ)板圓弧半徑增大，所以先預(yù)彎成略小于鍋筒的圓弧半徑，而后將彎制好的補(bǔ)板停放一段時(shí)間，再測量其圓弧半徑并進(jìn)行校正。

c. 分別將補(bǔ)板和鍋筒挖補(bǔ)的切口打磨去除硬化邊緣，按雙面焊對接接頭形式開坡口，補(bǔ)板與鍋筒之間的焊接間隙b≤2mm， 焊后打磨消除焊縫余高。

d. 采用經(jīng)評定合格的焊接工藝和合格的持證焊工施焊，焊接完成后進(jìn)行100%射線檢測，按NB/T 47013.2—2015 標(biāo)準(zhǔn)，Ⅱ級合格，最后進(jìn)行p=1.65MPa 的整體水壓試驗(yàn)。

4 預(yù)防措施

根據(jù)裂紋失效機(jī)理分析可知，該裂紋是由焊接殘余應(yīng)力、運(yùn)行工況下的拉應(yīng)力及熱應(yīng)力等在焊縫邊緣結(jié)構(gòu)不連續(xù)處疊加造成應(yīng)力集中引起的， 加上水循環(huán)不暢產(chǎn)生的周期性應(yīng)力載荷，最終導(dǎo)致產(chǎn)生疲勞裂紋。 故可采取以下預(yù)防措施：

a. 表面排污裝置支撐板等鍋筒內(nèi)件與鍋筒連接時(shí)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離鍋筒主要對接焊縫，并盡量減小支撐板等連接件的截面積，且布置方向盡量與水循環(huán)流向平行。

b. 在保證熔敷金屬填滿的基礎(chǔ)上盡量保持較低的焊縫余高，必要時(shí)打磨消除余高，減少應(yīng)力集中。

c. 鍋爐設(shè)計(jì)制造過程中必要時(shí)增加消除應(yīng)力的熱處理。

d. 鍋爐運(yùn)行管理時(shí)，避免頻繁啟停鍋爐和產(chǎn)生負(fù)荷較大的波動(dòng)。

5 結(jié)束語

鍋爐維修后運(yùn)行至今，進(jìn)行停爐內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)未發(fā)現(xiàn)類似裂紋產(chǎn)生，設(shè)備狀況良好，運(yùn)行穩(wěn)定。事實(shí)證明，鍋爐產(chǎn)生疲勞裂紋往往是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上的缺陷、負(fù)荷波動(dòng)較大或者因?yàn)轭l繁啟停而產(chǎn)生的周期性應(yīng)力載荷，再加上應(yīng)力集中等共同作用的結(jié)果，這就要求在鍋爐設(shè)計(jì)、制造、安裝過程中充分考慮各方面的因素，減少應(yīng)力集中，避免易產(chǎn)生周期性應(yīng)力載荷的結(jié)構(gòu)形式，在運(yùn)行管理中避免頻繁啟停和負(fù)荷較大的波動(dòng)，平穩(wěn)運(yùn)行。