一起鍋爐鍋筒裂紋原因分析

何涇渭 韋中懸 徐洪濤 黃銳欽 丁 紅

(1.廣東省特種設備檢測研究院東莞檢測院 東莞 523120)

（2.上海理工大學 能源與動力工程學院 上海 200093)

鍋爐裂紋事故分析中以對鍋殼式鍋爐管板裂紋分析最為常見，一些學者[1-4]指出，此處容易產生裂紋是由于存在“入口效應”，管孔處局部水循環不良，并且結垢嚴重、熱負荷大，造成傳熱惡化，因而使管板管孔容易產生疲勞裂紋。居曉明[5]結合鍋爐運行工況對煙管管端產生裂紋的原因進行了分析，包括管端角焊縫部位熱應力大、煙管與管板角焊縫應力集中、高溫煙區內承壓部件水側結垢與閉塞區內的熱疲勞失效和腐蝕疲勞加速裂紋擴展等。張寶祥等[6]分析了一臺臥式內燃蒸汽鍋爐管板特殊連接環中心出現較多環形裂紋缺陷問題，指出設計與使用不合理導致疲勞裂紋產生，并提出了應對措施。Khalifeh等[7]對循環熱水器的管板裂紋進行研究分析，發現裂紋源于焊接區域已穿過管孔，微觀結構觀察發現粒間和穿晶裂紋，腐蝕產物中存在硫化物，管板表面存在濕碳質沉積，分析指出濕碳質沉積位置過熱導致材料處于敏化狀態，連多硫酸導致敏化狀態下的材料失效，氯化物和腐蝕劑的出現加劇了材料的腐蝕。Ding等[8]對一廢熱鍋爐省煤器管重復性發生腐蝕的原因進行了分析，對從失效管處收集的沉積物進行組織分析，發現了硫化物和氮化物，指出重復性腐蝕是由于硫酸的露點腐蝕，最后對腐蝕的機制進行了詳細的討論，并提出了對策。

TSG G0001—2012《鍋爐安全技術監察規程》中規定碳素鋼受壓元件，其名義壁厚大于30mm的對接接頭或者內燃鍋爐的筒體、管板的名義壁厚大于20mm的T形接頭，應當進行焊后熱處理。根據這一規定，據了解，目前大部分鍋爐制造廠家對于壁厚為30mm及以下的鍋爐元件焊接后不進行焊后熱處理，這種情況就會造成鍋爐元件存在很大的焊接殘余應力。本文通過對某單位熱電聯產的蒸汽鍋爐鍋筒環焊縫處產生橫向裂紋事故的調查分析，闡述了產生裂紋的可能原因，提出該類鍋爐防止裂紋產生的應對措施和方法，對保障鍋爐安全運行具有指導意義。

1 事故概況

2 0 1 3年6月1 4日，在對東莞市某單位的一臺SHF×30-2.45/400-WⅠ型熱電聯產鍋爐進行定期檢驗時發現，該鍋爐上鍋筒靠爐右側封頭與筒體對接焊縫處有一條25mm的橫向裂紋，下鍋筒靠爐右側的環焊縫處有一條12mm的橫向裂紋，經打磨焊縫余高仍未清除（如圖1所示）。該鍋爐制造時間為2000年4月1日，上下鍋筒的材質均為20g，尺寸分別為φ1460×30mm和φ950×25mm。20g屬于低碳鋼，強度硬度不高，塑性韌性很好，20g的化學成分見表1。

表1 20g化學成分表

圖1 磁粉檢測裂紋圖片

2 原因調查分析

2.1 超聲檢測

將焊縫余高磨平，對有裂紋磁痕顯示部位焊縫進行超聲波檢測，發現上鍋筒缺陷深度最大為1.8mm，下鍋筒缺陷深度最大為1.6mm。

2.2 硬度檢測

對缺陷位置焊縫表面進行里氏硬度檢測，在缺陷位置及正常位置各取5個點進行硬度檢測，數據見表2。經數據對比，未見異常。

表2 硬度檢測表

2.3 金相分析

對上鍋筒裂紋部位打磨平整光潔后進行金相顯微組織檢測，結果如圖2所示，由圖2可得出以下結論：金相組織為鐵素體+珠光體+貝氏體，黑色線條為裂紋，裂紋附近區域大部分呈魏氏組織，少部分為貝氏體，魏氏組織為3級。

2.4 運行中工況調查分析

圖2 上鍋筒裂縫處金相組織

通過與使用單位管理人員及鍋爐操作人員交談并查閱運行記錄了解到，該鍋爐為備用鍋爐，由于企業生產的需要，此鍋爐啟停頻繁，負荷波動較大。

2.5 鍋爐制造過程調查分析

通過查閱該鍋爐出廠資料，該鍋爐生產日期為2 0 00年4月1日，按當時的鍋爐技術規范《蒸汽鍋爐安全技術監察規程》第77條第一款規定：低碳鋼受壓元件，其壁厚大于30mm的對接接頭或內燃鍋爐的筒體或管板的壁厚大于20mm的T形接頭，必須進行焊后熱處理。根據該條款，鍋爐制造企業在實際生產過程中對壁厚為30mm及以下低碳鋼受壓元件可不進行焊后熱處理。該鍋爐上、下鍋筒的壁厚分別為30mm和25mm，上下鍋筒在焊接后沒有進行焊后熱處理，在與該鍋爐制造企業交流核實時也證明了這一點。

焊后熱處理的作用：1)松弛焊接殘余應力；2)穩定結構的形狀和尺寸；3）改善母材、焊接接頭的性能；4）提高抗應力腐蝕的能力；5）進一步釋放焊縫金屬中的有害氣體，尤其是氫，防止延遲裂紋的產生；6）有利于消除過熱組織。

3 事故結論

通過現場檢驗和以上調查分析，筆者得出造成鍋爐鍋筒焊縫裂紋的原因主要有以下三方面：

3.1 焊接殘余應力的影響

焊接過程中焊件的溫度分布不均勻，由它造成的局部塑性變形和比容不同是產生焊接殘余應力的根本原因，因此只要進行焊接操作就一定會有殘余應力產生。焊接殘余應力對結構有如下影響：

1）對結構或構件的影響。

焊接殘余應力是構件還未使用時就已經存在的初應力，在構件使用過程中和所受外力產生的應力相互疊加，使構件產生二次形變和殘余應力重新分布，不僅會危害結構的剛度和穩定性，還在介質和溫度的共同影響下嚴重影響構件的抗脆斷能力、疲勞強度、高溫蠕變開裂和抵抗應力腐蝕開裂的能力。

2）對結構剛度的影響。

因為焊件中的焊接殘余應力和外力作用生成的應力產生疊加，造成材料達到它的屈服點，但是焊件的塑性性能無法完全的表現出來，導致局部應力一直上升達到屈服極限，焊件無法繼續承載外力，焊件有效的承載面積減少，焊件的剛度也隨之減小。

3）對靜載強度的影響。

塑性材料在一定情況下會失去塑性或者構件的塑性較低，殘余應力會對構件的靜力強度產生影響。因為構件不能產生足夠的塑性形變，在加載過程中，應力的峰值一直變大，直至達到材料的強度極限后發生損壞。

本缺陷造成的主要原因是上下鍋筒焊接后沒有進行焊后熱處理，存在焊接殘余應力。

3.2 運行工況的波動性影響

經調查了解得知，此鍋爐為該廠的備用鍋爐，啟停頻繁壓力波動較大。由于溫度變化產生的溫度交變應力和壓力頻繁變化產生的交變應力，促進了應力集中的封頭與筒體的對接焊縫處裂紋的產生。

3.3 魏氏組織的影響

魏氏組織不僅晶粒粗大，而且由于大量鐵素體針片形成的脆弱面，大大降低了鋼的力學性能特別是沖擊韌性和塑性，同時也升高了脆性轉折溫度，這也會增加對接焊縫處產生裂紋的可能性。

綜上所述，鍋筒環焊縫處產生裂紋的主要原因是制造過程中未進行焊后熱處理和運行過程中頻繁啟停產生的交變應力共同作用。

4 處理措施

事故原因找到之后，就要采取措施對缺陷部位進行處理：

1)對裂紋區域進行打磨消除缺陷。

2)采取合理的鍋爐運行方式，避免鍋爐頻繁啟停和壓力頻繁波動。

3)對此部位在運行中嚴格監控，且縮短檢驗周期，半年一檢。

實施以上措施后，此問題得到了徹底解決。2014年2月在對該爐再次進行內部檢驗時，該部位正常。

5 建議

1）鍋爐制造環節中，應對焊件進行焊前預熱和焊后緩冷，條件允許下盡可能對焊接接頭進行焊后熱處理。

2）TSG G0001—2012 《鍋爐安全技術監察規程》和TSG G7002—2015 《鍋爐定期檢驗規則》規定電站鍋爐內部檢驗結合鍋爐檢修同期進行，一般應當每3～6年進行一次。但對于此類未經焊后熱處理或使用條件較惡劣的中壓鍋爐而言，筆者認為時間偏長，建議在《鍋爐安全技術監察規程》和《鍋爐定期檢驗規則》修訂時相應縮短檢測周期，按非電站鍋爐的檢驗周期安排內部檢驗，以便及時發現事故隱患并進行處理，避免鍋爐事故的發生。

[1]邢麗， 王均杰. 一起鍋殼式熱水鍋爐內前管板裂紋事故的分析[J]. 鍋爐制造，2014(02)：40-41.

[2]范維海. 新型鍋殼式蒸汽鍋爐管板裂紋漏水原因分析[J]. 工業鍋爐，2008(02)：50-51.

[3]余世永. 臥式鍋殼式鍋爐后管板孔橋裂紋成因分析[J]. 能源與環境，2013(06)：35.

[4]賈麗花. 鍋殼式蒸汽鍋爐管板裂紋漏水原因分析[J]. 內蒙古石油化工，2008(21)：67.

[5]居曉明. 鍋殼式熱水鍋爐管端裂紋的產生原因與預防[J]. 中國特種設備安全，2013，30(03)：51-53.

[6]張寶祥，武要峰，李冬屹，等. 鍋殼鍋爐特殊連接環處疲勞裂紋的原因分析[J]. 運行與管理，2016(06)：65-67.

[7]Khalifeh R， Dehghan Banaraki A， Daneshmanesh H， et al. Stress corrosion cracking of a circulation water heater tubesheet[J]. Engineering Failure Analysis， 2017， 78： 55-66.

[8]Ding Q， Ta X， Yang Z. Failure analysis on abnormal corrosion of economizer tubes in a waste heat boiler[J].Engineering Failure Analysis， 2017， 73： 129-138.