廢熱鍋爐服役后筒體環焊縫處的斷裂失效研究

何家勝 張賢超 陳文龍 謝 飛 陳 才

（武漢工程大學機電工程學院)

廢熱鍋爐服役后筒體環焊縫處的斷裂失效研究

何家勝*張賢超 陳文龍 謝 飛 陳 才

（武漢工程大學機電工程學院)

某氮肥公司合成氨系統的一臺合成廢熱鍋爐筒體環焊縫周圍發生多處開裂。利用JB30B沖擊試驗機對廢鍋筒體環焊縫處材料的斷裂韌性進行實驗分析，同時結合斷裂力學的基本理論對服役后廢熱鍋爐筒體環焊縫處的開裂失效進行分析。結果表明：由于廢鍋焊縫區組織的晶界性能變差，使得材料的沖擊韌性顯著下降，抵抗裂紋擴展的能力降低，最終在機械應力、熱應力及腐蝕環境的作用下，筒體環焊縫處發生多處晶間腐蝕開裂，從而導致筒體失效。

廢熱鍋爐 晶界 沖擊韌性 晶間腐蝕 裂紋 壓力容器

某氮肥公司合成氨系統的一臺合成廢熱鍋爐（以下簡稱廢鍋）經檢修投入使用4個月后，其筒體環焊縫內表面出現了多處垂直于焊縫方向的裂紋（如圖1所示），更換筒體2個月后又出現了同樣的情況。此廢熱鍋爐的筒體材質為16MnR，壁厚為20 mm，直徑為1 800 mm，長度為7 150 mm；廢鍋殼程設計溫度為200°C，殼程介質為飽和過熱水蒸氣。

圖1 廢熱鍋爐焊縫位置

1 焊縫區與母材區的沖擊韌性對比實驗

沖擊韌性與斷裂韌性一樣其實際意義在于揭示材料的變脆傾向，沖擊韌性表示的是材料抵抗變形或斷裂的能力，即抵抗裂紋擴展的能力，沖擊韌性的高低是材料的韌性和脆性的衡量依據。

本次試驗在JB30B沖擊試驗機上進行，滿足國家標準 GB/T 18658《擺錘式沖擊試驗機檢驗用夏比V型缺口標準試樣》中對試驗機及測量工具的各項要求，如圖2所示。

圖2 擺錘式沖擊試驗機

表1 夏比V型缺口標準擺錘沖擊試驗試樣尺寸

圖3 試樣的結構

圖4 打斷后的試樣

圖5 打斷后的試樣斷口

目前，我國有關壓力容器設計制造的法規和標準均規定，材料的沖擊試樣以夏比V型缺口、橫向取樣方式為主。沖擊試樣的缺口型式對材料的沖擊韌性影響非常大，夏比V型缺口比夏比U型缺口更為尖銳，更能反映材料的缺口和內部缺陷對載荷的敏感性。沖擊試樣的取樣方向規定為 “橫向取樣”，主要是考慮到在鋼錠澆注時會形成偏析及含有雜質，在軋制鋼板的過程中，這些不均勻部分和雜質會順著金屬延伸方向形成纖維狀組織，從而使鋼板平行于軋制方向的力學性能高于垂直方向的力學性能。

本試驗選用夏比V型缺口試樣，其尺寸如表1所示。試樣的結構如圖3所示。

分別從焊縫、熱影響區和母材區三個區域 （標記為A、B、C）取樣，每個區域取2個試樣，分別標記為A1、 A2， B1、 B2， C1、 C2。

2 實驗結果分析

(1)實驗結果

經過擺錘的沖擊試驗后，試樣形貌如圖4、圖5所示。

從宏觀整體來看，焊縫區A材料的斷口要比熱影響區B和母材區C的斷口更加平滑，試樣A斷口為結晶狀，試樣B和試樣C斷口為纖維狀，結合斷裂力學相關理論，顯然試樣A發生的是脆斷，試樣B和試樣C為韌性斷裂。各斷口示意圖如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 試樣A斷口

圖7 試樣B斷口

圖8 試樣C斷口

由實驗所測得的各試樣沖擊功數值如表2所示。

由于本文所探討的是通過對比沖擊韌性值來說明材料的韌脆轉變，因此需要將沖擊功換算為單位面積上的功,即沖擊韌性ak。其換算公式為:

換算后的各試樣沖擊韌性值如表3所示。

表2 各試樣的沖擊功Ak

表3 各試樣的沖擊韌性ak

由表3的實驗結果可以看出，焊縫區材料的沖擊韌性要明顯低于熱影響區和母材區，即焊縫區材料抵抗裂紋擴展的能力下降，易發生脆斷。

（2）斷口微觀檢查及分析

對裂紋斷口進行掃描電鏡分析，如圖9所示。

圖9 裂紋斷口處SEM電鏡掃描照片

圖9（a）為放大500倍后觀察到的裂紋斷口形貌，可以看出斷口處有明顯的晶間開裂現象。為了進一步觀察這種情況，對此處形貌放大，得1 500倍的微區情況，如圖9（b）所示，可以更為清晰地觀察到這種晶間開裂現象。

（3）實驗結果分析

通過對廢鍋焊縫區材料與母材區材料的沖擊韌性對比試驗研究，可知廢鍋焊縫區材料的沖擊韌性要遠小于母材區，結合斷口分析和沖擊韌性的值，可見焊縫區沖擊韌性下降非常明顯。由掃描電鏡可以明顯看到焊縫斷裂區存在晶間開裂現象。通過化學成分能譜檢驗可知，晶間的P、S等元素嚴重超標，P、S等元素使晶界弱化，導致材料的沖擊韌性值顯著下降。

從微觀上來看，金屬材料并不是理想的連續介質，晶粒并不是想象中的那樣結合得很緊密，所有的晶粒都是離散的個體，而晶界在這些個體中充當“粘合劑”的作用。從某種意義上說，晶界的性能好壞是材料發生韌性斷裂或脆性斷裂的關鍵。對該材料脆性斷口的研究表明：其微觀裂紋是沿晶界發展的，而這種現象通常是因為晶界上有第二相聚集，成分偏析，或存在晶間腐蝕、電化學腐蝕等因素，這些因素降低了晶界的結合力，從而導致了裂紋產生。

在該廢熱鍋爐中，由于焊接的熱影響，16MnR筒體在近焊縫區其材料組織的晶體產生了變形和再結晶。由于再結晶的作用，組織中的多個小晶粒聚集成尺寸較大的晶粒，同時晶界面的面積大為減少，而晶間間隙增加。由于晶界具有比晶粒更為疏松的原子結構，在焊接的熱影響下，材料中的低熔點雜質和晶間氣體遷移聚集到較大的晶間間隙中，而這些雜質的偏聚又增大了沿晶腐蝕和應力腐蝕的敏感性。該廢鍋裂紋起裂位置位于焊縫內表面，在此處起裂后進而沿壁厚方向向外擴展。由于廢熱鍋爐在使用過程中流動的介質為水，裂紋源在硫化氫和水汽轉換的復雜環境中發生了較為嚴重的電化學腐蝕，導致微裂紋形成，繼而在機械應力、熱應力及電化學腐蝕的共同作用下裂紋開始擴展長大。

3 討論

（1）該廢熱鍋爐在使用過程中由于流動介質中含有Si、Ca、Na、S、Al、K等雜質元素，使得裂紋源在硫化氫和水汽轉換的復雜環境中發生了較為嚴重的電化學腐蝕，導致微裂紋形成。

（2）由廢鍋焊縫區材料與母材區材料的沖擊韌性對比可知，廢鍋焊縫區材料的沖擊韌性要遠小于母材區，即焊縫區的沖擊韌性下降非常明顯。通過掃描電鏡觀察到焊縫區晶界有明顯開裂現象。最后得出結論：由于焊縫區存在電化學腐蝕，致使該區域晶界發生腐蝕開裂，從而導致焊縫區材料斷裂韌性明顯下降，最終導致筒體的失效。

（3）實驗數據及斷口的相關掃描圖片證實了下列判斷：由于筒體焊縫處組織發生再結晶，使得該處晶界面面積減小并有大晶粒形成；焊縫區組織出現明顯的雜質偏聚，導致沿晶腐蝕的敏感性增強；在筒體的焊縫內表面 （尤其是與筒體內部介質相接觸的液面）處發生的嚴重電化學腐蝕使得該處組織的晶界性能變差，出現沿晶腐蝕，導致微裂紋沿晶界發展。

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Fracture Failure Analysis of Waste Heat Boiler's Body Circumferential Weld

He Jiasheng Zhang Xianchao Chen Wenlong Xie FeiChen Cai

A nitrogen fertilizer company's waste heat boiler for synthetic ammonia system possess multiple cracking around the weld ring.Using the impact testing machine JB30B to analyze the material's fracture toughness of waste heat boiler weld combining with the basic theory of fracture mechanics to analyze the weld cracking failure.The results show that as the grain boundaries of weld zone show deteriorate properties,the impact toughness of the material decrease significantly,the ability to resist crack propagation reduces,and ultimately,the cylinder ring welds occur multiple intergranular corrosion cracking under the action of mechanical stress,thermal stress and corrosive environment,and resulting in cylinder failure.

Waste heat boiler;Grain boundary;Impact toughness;Intergranular corrosion；Crack;Pressure vessel

TQ 054

*何家勝，男，1958年生，教授。武漢市，430074。

2011-10-19）