臥式快裝鍋爐鍋筒裂紋失效分析及維修

陳國華 胡衛朋 譚淵博 李盛好 譚啟勇

（廣西特種設備檢驗研究院a.玉林分院；b.桂林分院）

工業鍋爐是一種受熱、承壓、有發生爆炸危險的特種設備［1］。 裂紋是導致該設備失效甚至發生事故的最危險缺陷之一，也是導致鍋爐發生泄漏、爆炸等事故的最直接原因［2］，因此工業鍋爐的安全穩定運行一直是該領域專家的研究熱點。 筆者對廣西玉林某林業公司的一臺鍋爐裂紋缺陷進行失效分析，查明裂紋產生的機理，制定維修方案完成缺陷修復， 并提出針對性的預防措施，以避免類似裂紋的產生，保障鍋爐的安全運行。

1 鍋爐裂紋情況

廣西玉林某林業公司的一臺DZL6-1.25-T 型鍋爐（圖1）發生漏水事故，筆者接到事故報告后，立即前往現場并對鍋爐進行內部檢驗。

圖1 DZL6-1.25-T 型鍋爐整體結構

1.1 宏觀檢查

該鍋爐鍋筒材料為Q245R，壁厚為22mm，有定期檢驗和水質化驗合格報告，查看當時的運行記錄顯示水位、壓力無異常。 宏觀檢查鍋筒內表面無明顯結垢情況，鍋筒底部正下方漏水處發現一條長100mm、寬約0.5mm 的穿透性裂紋，裂紋位于鍋筒中間對接環焊縫的一側邊緣，沿焊縫與母材熔合線方向延伸， 周邊有疑似微小裂紋缺陷，裂紋兩側母材區域未見明顯變形、鼓包和過燒現象，焊縫未見有咬邊、錯邊等表面焊接缺陷。在焊縫同一側距離裂紋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 范圍內的焊接接頭和表面排污裝置支撐板角焊接接頭進行清理打磨，直至露出金屬光澤，對這兩處區域進行磁粉檢測，對鍋筒對接焊接接頭區域進行超聲波檢測。 磁粉檢測發現，水側除穿透型裂紋外，未發現其他伴隨裂紋；火側發現主裂紋；兩側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。超聲波檢測發現，該裂紋區域以外未發現其他內部缺陷，用超聲波測量主裂紋兩側小裂紋，最深約5mm。

1.3 金相顯微檢驗

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

表1 裂紋區域材料化學成分 %

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 檢驗結果

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，力學性能降低，在溫度和壓力的共同作用下就會發生蠕變［3］，產生變形、鼓包最終破裂，且破裂處壁厚減薄明顯［4］。 然而，該鍋爐未發生變形而是直接破裂，不符合韌性斷裂特征。 從運行記錄來看，該鍋爐未出現過缺水情況，宏觀檢查發現主裂紋寬約0.5mm，說明裂紋開裂時承受較大應力［5］；從磁粉檢測結果來看，火側主裂紋兩側伴隨有龜裂狀裂紋而水側沒有， 初步斷定裂紋首先從火側產生，逐步向水側擴展；再從顯微檢驗結果來看，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，所以焊后殘余應力較大，再加上運行過程中的拉應力以及在焊縫邊緣結構不連續處的峰值應力一起疊加，產生了應力集中。 此外，連續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， 使得該區域水循環受阻，這一點從支撐板兩側堆積的少量垢渣可以看出。一方面，由于該處水循環受阻而流速慢，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力，與前面的幾種應力疊加，更加大了該部位的應力。 另一方面，由于該處水循環受阻，使得支撐板兩側熱水停留時間較長，產生大量氣泡，氣泡與繞道而來的冷卻水相遇，會產生周期性的應力載荷，進而在多個應力疊加的焊縫邊緣結構不連續處產生疲勞裂紋［7］。另外，由于火側鍋筒外表面拉應力更大，直接受火焰高溫輻射， 所以裂紋首先從火側壁面產生，這與檢驗結果分析一致。

3 鍋爐維修

3.1 維修方案

基于以上裂紋失效機理分析，制定以下針對性的維修方案：

a. 移動連續排污裝置支撐板的位置，使之遠離主焊縫，采用評定合格的焊接工藝施焊，進行100%磁粉檢測。

b. 由于該裂紋是因疲勞產生的損失，所以采用挖補的方法維修。 采用方形補板，尺寸規格為300mm×300mm×22mm， 補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，進行100%射線檢測。

3.2 維修過程

維修過程如下：

a. 將連續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， 焊接完成后進行100%磁粉檢測，按NB/T 47013.4—2015 標準，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 內的污物；以同一塊放樣板在補板上落料，其長度和寬度均按樣板放大5mm。 在卷制補板時，考慮到補板的幅度回彈會造成補板圓弧半徑增大，所以先預彎成略小于鍋筒的圓弧半徑，而后將彎制好的補板停放一段時間，再測量其圓弧半徑并進行校正。

c. 分別將補板和鍋筒挖補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，焊接完成后進行100%射線檢測，按NB/T 47013.2—2015 標準，Ⅱ級合格，最后進行p=1.65MPa 的整體水壓試驗。

4 預防措施

根據裂紋失效機理分析可知，該裂紋是由焊接殘余應力、運行工況下的拉應力及熱應力等在焊縫邊緣結構不連續處疊加造成應力集中引起的， 加上水循環不暢產生的周期性應力載荷，最終導致產生疲勞裂紋。 故可采取以下預防措施：

a. 表面排污裝置支撐板等鍋筒內件與鍋筒連接時應盡量遠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流向平行。

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

c. 鍋爐設計制造過程中必要時增加消除應力的熱處理。

d. 鍋爐運行管理時，避免頻繁啟停鍋爐和產生負荷較大的波動。

5 結束語

鍋爐維修后運行至今，進行停爐內部檢驗時未發現類似裂紋產生，設備狀況良好，運行穩定。事實證明，鍋爐產生疲勞裂紋往往是因為結構上的缺陷、負荷波動較大或者因為頻繁啟停而產生的周期性應力載荷，再加上應力集中等共同作用的結果，這就要求在鍋爐設計、制造、安裝過程中充分考慮各方面的因素，減少應力集中，避免易產生周期性應力載荷的結構形式，在運行管理中避免頻繁啟停和負荷較大的波動，平穩運行。