鍋爐爐膽頂板邊處失效分析

王萬樹 關鵬濤 陸 堅 高文輝 陳趙亮

（寧波市特種設備檢驗研究院 寧波 315000）

工業鍋爐是企業生產主要動力設備，其中燃煤鍋爐在工業鍋爐中占有較大比例。20g是工業鍋爐常用鋼板材料，與20碳鋼性能基本相同，其在450℃以下具有足夠的強度，530℃以下具有滿意的抗氧化性能，相對于20碳鋼，20g增加對沖擊韌性、應變時效沖擊值和冷彎的要求，屈服比略高，并要求有一定的抗疲勞和抗腐蝕性能，滿足GB 713—1997[1]要求，2008年以后標準將20g改為Q245R[2-3]。由于使用年限較長、使用環境較差等因素，燃煤鍋爐在檢驗過程中發現諸多問題。本文針對某工廠立式燃煤鍋爐在使用過程中發現的問題，分別采用ANSYS軟件對鍋爐失效處的不同使用工況進行模擬以及金相分析，研究Q245R鋼在使用過程中應力分布與材質變化情況，得出爐膽頂板邊處失效的原因，為鍋爐檢驗以及失效分析提供經驗，并為完善鍋殼鍋爐設計制造標準提出一些建議。

1 鍋爐使用參數

鍋爐型號：LHC0.8-0.7-AⅡ，工作壓力0.7MPa，工作溫度168℃，已投入使用9年，在停爐檢驗時發現爐膽頂板邊圓弧處存在裂紋，裂紋位置如圖1所示，黑色箭頭指示位置，圖2為滲透檢測[4]發現裂紋宏觀形貌，裂紋是環向的，一般有多條平行裂紋，主裂紋比較粗，初步判斷為起槽。該鍋爐材質為Q245R，化學成分見表1，材料屬性見表2。

表2 Q245R材料屬性

圖1 立式燃煤鍋爐示意圖

圖2 裂紋宏觀形貌

2 工況模擬分析

根據以上Q245R材料屬性描述，采用ANSYS 14.5分析軟件對缺陷部位（爐膽頂板邊處）進行模擬分析，常溫下，彈性模量取2.1×105MPa，泊松比取0.3，根據結構尺寸建立幾何模型，選用Plane183單元，由于爐膽頂屬于軸對稱結構，各個截面受力狀態一致，所以其幾何模型可簡化為二維平面結構，幾何模型與網格劃分如圖3所示。

圖3 幾何模型與網格劃分

爐膽頂主要承受水側的蒸汽壓力以及煤燃燒產生高溫煙氣作用。在鍋爐正常工作時煤燃燒時所產生的煙氣在爐膽頂處溫度可達250℃，相應的彈性模量ET=1.74×105MPa，然而，在干燒狀態下，爐膽壁溫可達500℃以上，取金相報告提供的溫度525℃，查得相應金屬的彈性模量ET=0.75×105MPa[5]。

2.1 正常工況下分析

取水側壁溫：170℃，煙氣側壁溫：250℃，在250℃下Q245R鋼彈性模量ET=1.74×105MPa，爐膽頂在只受水側蒸汽壓力時，計算結果如圖4所示，明顯可以看出，在折邊處水側產生應力最大，提取最大值為67.4MPa。根據以上條件進行熱應力分析，計算結果如圖5所示，在折邊圓弧處同樣存在較大熱應力，提取圓弧處熱應力最大的節點，應力值達到1020MPa。比較溫度和蒸汽載荷產生的應力，可以明顯看出：溫度載荷應力遠高于蒸汽載荷應力，且溫度載荷應力是蒸汽載荷應力的15倍。如圖6所示，溫度和蒸汽壓力共同作用時爐膽頂的應力分布云圖，可以看出，與熱應力相比變化較小，與蒸汽壓力的相比有很大增加，可以看出：高溫應力是爐膽頂板邊失效的主要因素之一。

圖4 蒸汽壓力云圖

圖5 熱應力云圖

圖6 溫度和蒸汽壓力共同作用時應力分布云圖

在失效部位選擇一路徑（見圖4），提取路徑上節點的應力，觀察沿同一路徑，不同工況下應力的變化情況，如圖7、圖8所示，同樣可以看出溫度產生的應力遠大于蒸汽壓力產生的應力。不同的工況都有一個相同的變化趨勢，即應力沿著路徑呈現先降低后增加的變化，結合爐膽頂板邊的變形情況，可以判斷出，先降低一側應為拉伸應力，增加一側應為壓縮應力，且拉伸應力、壓縮應力的最大值均處在爐膽頂兩側的表面位置，由此推斷，在不考慮材料內部缺陷情況下，在兩側表面處的失效的可能性比較大。

圖7 蒸汽壓力作用下沿路徑應力變化

圖8 不同工況下沿路徑方向應力變化

2.2 干燒工況下分析

鍋爐干燒是鍋爐在使用過程未能及時補充水，導致水位過低，使得鍋爐長時間處于干燒狀態，這種現象在一些中小企業經常出現。長時間干燒，由于得不到有效的冷卻，爐膽壁溫迅速升高，爐膽壁溫可達500℃以上，對鋼材產生很大影響，此時金屬Q245R的彈性模量ET=0.75×105MPa。根據干燒工況條件下，由于水位比較低，產生的蒸汽比較少，相對壓力也就比較低，分析此工況時，不計蒸汽壓力。此時，分析得到爐膽頂的熱應力分布云圖，如圖9所示。可以看出：煙側應力水平與正常工況下相比，未發生太大變化，但是水側應力水平反而比正常工況時的有所降低，這是由于缺水情況下，水側未能及時得到降溫，使得水側溫度升高，在高溫條件下，材料的高溫應力松弛[6]。

圖9 干燒條件下爐膽頂熱應力分布云圖

3 金相分析

在爐膽頂板邊起槽失效部位取樣，采用線切割的方法，取沿壁厚方向的界面作為觀察面，試樣，以180、320、400、500、600、800、1000、1500號砂紙進行粗磨，再用金相砂紙精磨。之后采用拋光機對試樣進行拋光，以去除研磨造成的劃痕。采用4%硝酸酒精溶液對拋光面進行侵蝕，隨即清洗、烘干[7-8]。

Q245R在常溫下金相組織為塊狀鐵素體和細片狀珠光體。珠光體是鐵素體與滲碳體的機械混合物，球化過程是珠光體中碳化物分散、聚集、成球過程。隨著時間的推移，珠光體中分散的碳化物變成球狀物，片層狀的珠光體逐漸消失，然后小的球狀物會慢慢變大，片層狀珠光體明顯消失，最終變成球化組織[9]，珠光體球化使得材料的力學性能下降。如圖10所示，珠光體球化過程示意圖[10]。

圖10 珠光體球化過程示意圖

如圖11所示，分別為100倍、200倍、500倍金相圖，白色塊狀為鐵素體，黑色片狀為珠光體。由圖可以看出：Q245R金相組織包含塊狀鐵素體、珠光體以及球化體，珠光體有部分碳化物已分散，且在鐵素體區域中有部分球形碳化物，但是珠光體形態尚明顯，符合輕度球化的組織特征，根據《火電廠用20號鋼珠光體球化評級標準》可以判定Q245R的珠光體球化程度為輕度球化，球化級別為3級。由此說明Q245R鋼已開始劣化。

圖11 Q245R金相組織

通過以上模擬分析以及金相分析，得出爐膽頂板邊圓弧處的使用過程中失效原因，然而如圖12所示，該鍋爐爐膽頂板邊圓弧處存在明顯的環向褶皺，這是由于爐膽頂在沖壓加工過程中產生的。環向褶皺區域成為應力集中區域，再加上使用過程中高溫應力以及材質劣化的作用，最終導致應力集中部位起槽失效。GB/T 16508.4—2013《鍋殼鍋爐》[11]僅4.4.5.8規定：封頭、管板、下腳圈直邊部分不應存在縱向褶皺。對于環向褶皺未作規定，因此建議增加規定：在封頭直邊過渡部分在加工制造過程中不應存在環向褶皺。

圖12 爐膽頂板邊圓弧處宏觀形貌

4 結論

1）通過對鍋爐爐膽頂板邊處失效分析，并采用ANSYS軟件對不同工況進行模擬，得到以下結論：在失效部位，溫度載荷應力遠高于蒸汽載荷應力，干燒工況下，煙側應力水平與正常工況下相比，未發生太大變化，但是水側應力水平反而比正常工況時的有所降低。

2）通過金相分析發現：珠光體有部分碳化物已分散，并逐漸向晶界擴散，并且有部分分布在鐵素體區域中，說明該材料已發生輕度球化。

3）綜上所述，環向褶皺、高溫應力和材質劣化是爐膽頂板邊起槽失效的主要原因。因此建議GB/T 16508.4—2013《鍋殼鍋爐》增加規定：在封頭直邊過渡部分在加工制造過程中不應存在環向褶皺。鍋爐在使用過程中應加強日常管理，避免出現缺水干燒情況。

[1] GB 713—1997 鍋爐用鋼板[S].

[2] GB 713—2014 鍋爐壓力容器用鋼板[S].

[3] 周石蕓.淺談Q245R鋼板[J].江蘇鍋爐， 2013 (03)：8-10.

[4] NB/T 47013.5—2015 承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢測[S].

[5] 余普洲，官偉.一起立式鍋爐爐膽失穩事故的分析與思考[J].中國高新技術企業，2013(18)：150-151.[6] 金堯，魏楠.金屬高溫應力松弛行為研究[J].機械強度，1997(03)：57-60.

[7] DL/T 674—1999 火電廠用20號鋼珠光體球化評級標準[S].

[8] GB/T 13298—2015 金屬顯微組織檢驗方法[S].

[9] 徐鵬，艾志斌.20鋼珠光體球化對材質損傷程度的試驗研究[J].壓力容器，2003(12)：12-14.

[10] 蔡勤，丁磊.焦炭塔塔體物性研究與塔體變形機理分析[J].中國特種設備安全，2009，25(02)：12-15.

[11] GB/T 16508.4—2013 鍋殼鍋爐[S].