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，2019年4月進行第一次內部檢驗時發現兩根集中下降管角焊縫（鍋筒內側）出現整圈斷續裂紋，裂紋最大連續長度為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月進行第二次內部檢驗，右側集中下降管角焊縫未發現可記錄缺陷，左側集中下降管角焊縫（鍋筒內部）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，需找到裂紋產生的原因并將其徹底消除，以保證鍋爐安全運行。

1 產生裂紋原因分析

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 排上升管起協助固定作用。該型式與傳統的懸吊式鍋爐不同，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中較為普遍的一種裂紋，它是在焊后冷卻至低溫下產生的，這種裂紋常發生在低合金鋼的熱影響區，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。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。材料內部微小缺陷處，在外力作用下會出現應力集中現象，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，最終發展為宏觀裂紋，甚至斷裂。

鍋爐在設計時其安全系數取值較高，且從該臺鍋爐開始運行至第二次內部檢驗期間，鍋爐未出現超壓運行現象，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）必然會存在內應力，溫度變化程度越劇烈，此內應力越大[3]。在鍋爐啟停過程和運行參數波動較大時，每一次啟停或者參數波動，都會使金屬材料承受一次應力循環，每一次循環都有可能使材料中存在的微觀缺陷就擴張，當承受的循環達到一定的次數后，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 第一次內檢后修理情況

在2019年4月進行第一次內部檢驗發現裂紋后，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 以內可以打磨干凈的，無須進行補焊，只需將缺陷區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，發現問題及時處理。

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域進行焊后熱處理，依據標準NB/T47014—2011《泵壓設備焊接工藝評定》。熱處理規范：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范要求，但是在實際施工過程中，由于現場施工環境惡劣等情況，會出現達不到要求的現象。如焊前預熱環節和焊后熱處理環節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，運行不穩定，在兩方面原因綜合作用下，最終導致了裂紋的產生，嚴重威脅到鍋爐的安全運行。

設備制造單位應嚴格執行制造工序，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的穩定，將鍋爐受到的熱應力降到最小。