何涇渭 韋中懸 徐洪濤 黃銳欽 丁 紅

(1.廣東省特種設(shè)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(chǎn)生裂紋是由于存在“入口效應”，管孔處局部水循環(huán)不良，并且結(jié)垢嚴重、熱負荷大，造成傳熱惡化，因而使管板管孔容易產(chǎn)生疲勞裂紋。居曉明[5]結(jié)合鍋爐運行工況對煙管管端產(chǎn)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(qū)內(nèi)承壓部件水側(cè)結(jié)垢與閉塞區(qū)內(nèi)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(nèi)燃蒸汽鍋爐管板特殊連接環(huán)中心出現(xiàn)較多環(huán)形裂紋缺陷問題，指出設(shè)計與使用不合理導致疲勞裂紋產(chǎn)生，并提出了應對措施。Khalifeh等[7]對循環(huán)熱水器的管板裂紋進行研究分析，發(fā)現(xiàn)裂紋源于焊接區(qū)域已穿過管孔，微觀結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn)粒間和穿晶裂紋，腐蝕產(chǎn)物中存在硫化物，管板表面存在濕碳質(zhì)沉積，分析指出濕碳質(zhì)沉積位置過熱導致材料處于敏化狀態(tài)，連多硫酸導致敏化狀態(tài)下的材料失效，氯化物和腐蝕劑的出現(xiàn)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(fā)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(fā)現(xiàn)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(shù)監(jiān)察規(guī)程》中規(guī)定碳素鋼受壓元件，其名義壁厚大于30mm的對接接頭或者內(nèi)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(jù)這一規(guī)定，據(jù)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(lián)產(chǎn)的蒸汽鍋爐鍋筒環(huán)焊縫處產(chǎn)生橫向裂紋事故的調(diào)查分析，闡述了產(chǎn)生裂紋的可能原因，提出該類鍋爐防止裂紋產(chǎn)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(lián)產(chǎn)鍋爐進行定期檢驗時發(fā)現(xiàn)，該鍋爐上鍋筒靠爐右側(cè)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(cè)的環(huán)焊縫處有一條12mm的橫向裂紋，經(jīng)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(zhì)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(diào)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(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)見表2。經(jīng)數(shù)據(jù)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(jié)果如圖2所示，由圖2可得出以下結(jié)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(qū)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(diào)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(yè)生產(chǎn)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(diào)查分析

通過查閱該鍋爐出廠資料，該鍋爐生產(chǎn)日期為2 0 00年4月1日，按當時的鍋爐技術(shù)規(guī)范《蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第77條第一款規(guī)定：低碳鋼受壓元件，其壁厚大于30mm的對接接頭或內(nèi)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(jù)該條款，鍋爐制造企業(yè)在實際生產(chǎn)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(yè)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(wěn)定結(jié)構(gòu)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(chǎn)生；6）有利于消除過熱組織。

3 事故結(jié)論

通過現(xiàn)場檢驗和以上調(diào)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(chǎn)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(chǎn)生。焊接殘余應力對結(jié)構(gòu)有如下影響：

1）對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的影響。

焊接殘余應力是構(gòu)件還未使用時就已經(jīng)存在的初應力，在構(gòu)件使用過程中和所受外力產(chǎn)生的應力相互疊加，使構(gòu)件產(chǎn)生二次形變和殘余應力重新分布，不僅會危害結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，還在介質(zhì)和溫度的共同影響下嚴重影響構(gòu)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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(xiàn)出來，導致局部應力一直上升達到屈服極限，焊件無法繼續(xù)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(gòu)件的塑性較低，殘余應力會對構(gòu)件的靜力強度產(chǎn)生影響。因為構(gòu)件不能產(chǎn)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(fā)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(jīng)調(diào)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(chǎn)生的溫度交變應力和壓力頻繁變化產(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)折溫度，這也會增加對接焊縫處產(chǎn)生裂紋的可能性。

綜上所述，鍋筒環(huán)焊縫處產(chǎn)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(chǎn)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(qū)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(jiān)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(nèi)部檢驗時，該部位正常。

5 建議

1）鍋爐制造環(huán)節(jié)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(shù)監(jiān)察規(guī)程》和TSG G7002—2015 《鍋爐定期檢驗規(guī)則》規(guī)定電站鍋爐內(nèi)部檢驗結(jié)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(jīng)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(shù)監(jiān)察規(guī)程》和《鍋爐定期檢驗規(guī)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(nèi)部檢驗，以便及時發(fā)現(xiàn)事故隱患并進行處理，避免鍋爐事故的發(fā)生。

[1]邢麗， 王均杰. 一起鍋殼式熱水鍋爐內(nèi)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(yè)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(huán)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(nèi)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(chǎn)生原因與預防[J]. 中國特種設(shè)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(huán)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.