鍋筒集中下降管角焊縫裂紋分析

馬旭旭 朱永滿

（安徽省特種設備檢測院，安徽 合肥 230000）

0 引言

安徽某生物質電廠鍋爐鍋筒內(nèi)徑為1 600 mm，筒體壁厚為70 mm，筒體總長度為1 2120 mm，筒體用鋼材材質為13MnNiMoR，下降管管座材質為15CrMo。鍋筒筒身由13MnNiMoR 鋼板卷焊而成，封頭是用同種鋼板沖壓而成。鍋筒按設計支撐在兩根集中下降管上，通過下降管管接頭相連接，鍋筒上所有管接頭焊接后進行退火處理。

該臺鍋爐2017年開始建設，2018年4月投產(chǎn)，2019年4月進行第一次內(nèi)部檢驗時發(fā)現(xiàn)兩根集中下降管角焊縫（鍋筒內(nèi)側）出現(xiàn)整圈斷續(xù)裂紋，裂紋最大連續(xù)長度為110 mm。對裂紋進行打磨消除，打磨最深處約16 mm。裂紋打磨消除后進行補焊，熱處理完成后進行100%MT+100%UT 檢測無缺陷。2021年6月進行第二次內(nèi)部檢驗，右側集中下降管角焊縫未發(fā)現(xiàn)可記錄缺陷，左側集中下降管角焊縫（鍋筒內(nèi)部）存在多處裂紋，最長為70 mm。

該部位裂紋長期存在嚴重威脅到鍋爐的安全使用，需找到裂紋產(chǎn)生的原因并將其徹底消除，以保證鍋爐安全運行。

1 產(chǎn)生裂紋原因分析

該爐型鍋筒固定形式設計為整個鍋筒支撐在兩根集中下降管上，爐后側2 排上升管起協(xié)助固定作用。該型式與傳統(tǒng)的懸吊式鍋爐不同，集中下降管角焊縫的受力形式變得更加復雜。其裂紋的產(chǎn)生必然是多方面因素共同作用的結果。圖1 為角焊縫裂紋的分布圖。

圖1 角焊縫裂紋分布圖

1.1 材料分析

鍋筒筒體材料為13MnNiMoR，下降管管座材料為15CrMo，其角焊縫焊絲選用HO8Mn2MoA（NB/T47018.4-2017），三種材料元素含量如表1 所示。

表1

根據(jù)國際焊接學會碳當量計算公式：CE（IIW）=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Cu+Ni）/15，鍋筒筒體碳當量為0.53，下降管管座碳當量為0.56，焊絲碳當量為0.498。鍋筒筒體和下降管管座材料碳當量均大于0.5%，焊絲碳當量極0.5%，接近說明該角焊縫所涉及的3 種材料均具有較高的淬硬傾向和冷裂紋敏感傾向。焊接冷裂紋是焊接生產(chǎn)中較為普遍的一種裂紋，它是在焊后冷卻至低溫下產(chǎn)生的，這種裂紋常發(fā)生在低合金鋼的熱影響區(qū)，主要受碳當量、氫含量以及拘束度的影響。由于鍋筒筒體和下降管管座所用的鋼材較厚，冷裂紋產(chǎn)生的概率也就相對較大。而13MnNiMoR 鋼的C、S 及P 元素的含量非常低，Mn 含量及Mn/S（含量比值）較高，因此，熱裂紋的傾向較小[1]。

1.2 結構分析

該鍋爐集中下降管管接頭與鍋筒連接方式為插入式，結構不連續(xù)。有關研究表明，90°插入式焊接結構的結構應力最大處在其拐角處，即角焊縫處，其應力集中系數(shù)高達4.25 以上[2]。另外該鍋筒壁厚為70 mm，這就造成了下降管管接頭在焊接時需要多層多道焊，造成焊縫具有極大的剛性及拘束度，焊后存在較大的殘余應力，這是產(chǎn)生裂紋的重要原因，同時隨著管接頭的直徑及壁厚增大，在厚壁結構下較高的焊接殘余應力對裂紋的形成，特別是對裂紋的擴展具有較強的促進作用。

圖2 插入式結構角焊縫裂紋

1.3 鍋爐運行分析

任何材料中都會或多或少存在缺陷或裂紋。該角焊縫在制造完成時無宏觀裂紋，但是微觀裂紋僅用MT 檢測和UT 檢測是無法檢測出來的。材料內(nèi)部微小缺陷處，在外力作用下會出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，當集中應力超過材料能承受的最高限度時，該缺陷就會擴展，并且擴展速度會隨著缺陷的增大而加快，最終發(fā)展為宏觀裂紋，甚至斷裂。

鍋爐在設計時其安全系數(shù)取值較高，且從該臺鍋爐開始運行至第二次內(nèi)部檢驗期間，鍋爐未出現(xiàn)超壓運行現(xiàn)象，所以該下降管宏觀裂紋是由微觀裂紋擴展而來的。鍋爐在運行時所受的交變應力就是導致裂紋產(chǎn)生的應力。此交變應力分為兩類，一類為溫度變化引起的熱交變應力，另一類為機械振動引起的機械交變應力。

鍋爐在啟停爐過程中伴隨著溫度變化。金屬材料受熱在升溫時膨脹，降溫時收縮。由于鍋筒材料和下降管材料不一樣，其線膨脹系數(shù)也不一樣，導致在溫度變化時鍋筒和下降管無法同步膨脹，則在鍋筒和下降管交界處（連接角焊縫）必然會存在內(nèi)應力，溫度變化程度越劇烈，此內(nèi)應力越大[3]。在鍋爐啟停過程和運行參數(shù)波動較大時，每一次啟?；蛘邊?shù)波動，都會使金屬材料承受一次應力循環(huán)，每一次循環(huán)都有可能使材料中存在的微觀缺陷就擴張，當承受的循環(huán)達到一定的次數(shù)后，微觀缺陷會累積，直至擴展為宏觀裂紋。由于該鍋爐鍋筒設計并非懸吊式，而是支撐在下降管上，所以在運行過程中也會承受一定的機械振動引起的交變應力[4]。

2 第一次內(nèi)檢后修理情況

在2019年4月進行第一次內(nèi)部檢驗發(fā)現(xiàn)裂紋后，使用單位對裂紋部位進行了修理，其修理工藝如下：

（1）缺陷打磨：使用砂輪磨光機打磨有裂紋缺陷部位，直至裂紋徹底清除。打磨過程中，注意觀察和檢測缺陷深度和長度。如果缺陷深度在3 mm 以內(nèi)可以打磨干凈的，無須進行補焊，只需將缺陷區(qū)域與周圍打磨圓滑過渡即可；如若缺陷深度超過3 mm，則需要打磨干凈后進行補焊處理。

（2）打磨區(qū)域復檢：缺陷打磨干凈后進行100%MT 檢測，符合NB/T47013—2015《泵壓設備無損檢測》中I級合格要求。

（3）焊接返修。

a.焊前預熱：采用火焰加熱。將需要補焊的焊縫及焊縫周圍30 mm 范圍預熱至100℃以上，預熱時應緩慢、均勻加熱。

b.焊接規(guī)范：采用氬弧焊工藝，焊絲H08Mn2MoA，電流140～170 A，電壓12～16 V，氬氣流量8～12L/min，多層多道焊。

c.施焊過程中，應控制層間溫度不低于預熱溫度，且不高于250℃。焊接中應特別注意接頭和收弧質量，收弧時應將熔池填滿，多層多道焊的接頭應錯開。焊接中焊工應隨時進行自檢，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

d.補焊后焊縫尺寸應達到圖紙要求，并與周圍焊縫或母材表面圓滑過渡。每道焊后應立即錘擊去除應力。

e.焊后熱處理：全部補焊完畢后，應采用電加熱設備立即對返修區(qū)域進行焊后熱處理，依據(jù)標準NB/T47014—2011《泵壓設備焊接工藝評定》。熱處理規(guī)范：熱處理溫度630℃，保溫時間3 h。

（4）焊后檢測。

a.外觀檢查：焊縫尺寸應滿足圖紙要求，并與周圍焊縫或母材表面圓滑過渡，焊縫及熱影響區(qū)表面無裂紋、氣孔、咬邊、夾渣等缺陷。

b.無損檢測：對補焊部位及其周圍50 mm 范圍進行100%MT+100%UT 檢測，應符合NB/T 47013.4—2015《泵壓設備無損檢測第4 部分：磁粉檢測》和NB/T 47013.3—2015《泵壓設備無損檢測第3 部分：超聲檢測》中I級合格要求。

修理工藝符合相關標準規(guī)范要求，但是在實際施工過程中，由于現(xiàn)場施工環(huán)境惡劣等情況，會出現(xiàn)達不到要求的現(xiàn)象。如焊前預熱環(huán)節(jié)和焊后熱處理環(huán)節(jié)的工作質量必然達不到鍋筒制造廠的工作質量。這些都會造成修理無法達到預期效果。

3 結語

經(jīng)上述分析，該鍋筒在制造出廠時，其下降管角焊縫中存在較大的焊接殘余應力，在運行過程中頻繁啟停，運行不穩(wěn)定，在兩方面原因綜合作用下，最終導致了裂紋的產(chǎn)生，嚴重威脅到鍋爐的安全運行。

設備制造單位應嚴格執(zhí)行制造工序，尤其是壁厚較大的工件的制造。鍋爐使用單位在啟爐過程中應嚴格按照啟動曲線進行升溫升壓，在停爐時嚴格按照停爐曲線進行降溫降壓，要保持鍋爐運行參數(shù)的穩(wěn)定，將鍋爐受到的熱應力降到最小。