于 洋

（吉林石化公司煉油廠，吉林吉林 132021）

0 引言

工業(yè)用電鍋爐屬于特殊的受熱承壓裝置，具有一定的危險性。由于裂縫是引起鍋爐泄漏、爆炸等事故的最大隱患，因而如何保證鍋爐安全、穩(wěn)定、可靠地工作，成為國內(nèi)外眾多學(xué)者關(guān)注的焦點。通過對某石化公司鍋爐開裂的原因進行分析，找到故障成因并制訂檢修計劃，同時采取相應(yīng)的防治對策，防止此類裂紋的發(fā)生，保證鍋爐的正常使用。

1 鍋爐裂紋情況

某石化公司使用的DZL6-1.25T 型蒸汽鍋爐（圖1）出現(xiàn)泄漏，公司收到事故匯報后，馬上派人趕到生產(chǎn)車間進行檢查。

圖1 DZL6-1.25T 型蒸汽鍋爐

1.1 宏觀檢查

該鍋爐鍋體采用Q245R材料，厚度22 mm，有定期檢查及水質(zhì)檢測報告，檢查當(dāng)日操作記錄顯示水位、壓力無異常。通過宏觀觀察，鍋體內(nèi)部沒有明顯的污物，在鍋體底部滲漏部位有一條100 mm 長、0.5 mm 寬的貫穿裂縫，該裂縫在平口罐中部的平頂環(huán)焊邊處，沿著焊點與母材熔合的方向擴展，周圍有疑似細(xì)小裂縫，裂縫兩邊的母材料沒有明顯變形、鼓包和過燒，焊縫未見咬邊、錯邊等表面焊接缺陷。在焊接的同一端，距裂縫100 mm 處設(shè)有一個用于排水的支承片，它與鍋體形成了一個角焊接頭，其邊沿與爐膛的對接焊縫基本垂直，并在其兩邊沉積了少許的粉塵。

1.2 無損檢測

對裂縫焊縫和裂縫末端300 mm 以內(nèi)的焊點和污水處理設(shè)備支持板的轉(zhuǎn)角焊縫進行清洗、拋光，直到顯露出金屬光亮為止。通過磁粉探測，發(fā)現(xiàn)在水側(cè)沒有其他伴生裂縫，只有貫穿式裂縫，在火側(cè)出現(xiàn)了主要裂縫，其兩邊均有細(xì)小的裂縫，這些裂縫的長度都很短（2～10 mm）。污水處理設(shè)備支持板的轉(zhuǎn)角處焊縫沒有出現(xiàn)裂縫。超聲探測結(jié)果顯示，除上述裂縫外沒有其他的內(nèi)部損傷，采用超聲對主裂縫兩邊的微小裂縫進行了探測，深度最大為5 mm。

1.3 金相顯微檢驗

對焊接及基材進行了光譜測定（表1），結(jié)果滿足Q245R 及熔覆金屬的成分組成，未發(fā)現(xiàn)硫、磷等元素含量過高。對斷裂進行微觀分析，結(jié)果顯示出一種具有疲勞的輝紋狀結(jié)構(gòu)（圖2）。檢查母材及開裂部位的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)母材為鐵元素+珍珠巖，顆粒尺寸和形狀相似，沒有魏氏組織（圖3）。裂紋部位的金相組織顯示裂紋以沿晶、穿晶為主（圖4）。

表1 裂紋區(qū)域材料化學(xué)成分 wt%

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(jié)果

Q245R 材料的塑性強、韌性好，但若長時間高溫則會導(dǎo)致其組織惡化、機械強度下降。在高溫和高壓的雙重影響下，會產(chǎn)生變形、凸起，最終斷裂，并使斷裂部位的厚度減小。但鍋爐沒有出現(xiàn)明顯的塑性破壞，反而出現(xiàn)了裂紋，不滿足塑性斷裂的特點。生產(chǎn)記錄中鍋爐沒有發(fā)生過脫水現(xiàn)象，通過對其進行的宏觀觀察，發(fā)現(xiàn)主要裂縫寬度在0.5 mm 左右，表明其在破裂過程中受到了很大的壓力。通過對火焰?zhèn)戎饕芽p的探測，發(fā)現(xiàn)在火側(cè)主要裂縫的兩邊都存在裂縫，但在水側(cè)未出現(xiàn)裂縫，由此推斷裂縫是由火側(cè)開始逐漸向水側(cè)方向發(fā)展的。通過微觀觀察發(fā)現(xiàn)，母材的組織基本完好，斷裂微觀形態(tài)呈現(xiàn)出疲勞、斑紋等特點，且以穿晶為主，故可將其視為一種疲勞斷裂。

2 裂紋失效機理分析

鍋爐爐管采用Q245R 材料，厚度為22 mm，無需進行全面的熱處理，因此焊接后的剩余應(yīng)力比較大。此外，在焊接工藝中，由于焊接時的張力與焊接接頭的非連續(xù)性部位應(yīng)力的共同作用，形成焊接接頭的應(yīng)力分布。另外，由于污水管道內(nèi)壁與鍋爐的對接焊縫很接近，且與鍋爐的對接焊縫基本成平行狀態(tài)，因此，在這一地區(qū)，水流流通受到阻，這一現(xiàn)象從支架上的小塊灰塵可以看出。一方面，在此區(qū)域水流比其他區(qū)域緩慢，同時也會被火焰的輻射所影響，因此會受到很大的溫度變化，與之前的應(yīng)力重疊在一起，增加了該位置的壓力。同時，在該區(qū)域水流通受阻，在支承板壁上的熱水滯留時間過長導(dǎo)致泡沫增多，當(dāng)水汽遇到水流時，會形成循環(huán)的壓力負(fù)荷，從而使焊接接頭出現(xiàn)多個受力重疊的缺陷。同時，爐膛外側(cè)的張力較大，受到較大的火焰輻射，因此裂紋是從火側(cè)面開始，與檢驗結(jié)果相吻合。

3 鍋爐維修

3.1 維修方案

根據(jù)鍋爐爐體裂縫破壞機理分析，提出以下維護措施：

（1）將污水管道內(nèi)的支承盤移至與主焊縫較遠(yuǎn)的地方，按評定的方法進行焊接，并對其進行100%的磁性粉末檢驗。

（2）因為裂縫是由于疲勞造成的，因此維修時要采取挖掘的辦法。用正方補片，大小為300 mm×300 mm×22 mm，補片四角應(yīng)為圓形，半直徑大于100 mm，材料選用Q245R，焊條型號選E4315，拋光消除焊縫余高，進行100%光線檢測。

3.2 維修過程

（1）切斷污水管道的支持面板，拋光殘留的缺口，使其與母材平齊，移動支承面板距主焊縫300 mm，由合格的焊工進行操作，并符合NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測》標(biāo)準(zhǔn)I 類。

（2）將制作好的空洞用樣板放入鍋內(nèi)，繪制好線條后，將缺損部分沿直線切割，切割后拋光，去除切割邊50 mm 以內(nèi)的雜質(zhì)。將相同的下料片放在補片上，其長、寬都按照樣片的尺寸增大5 mm。在卷裝補片時，由于補片的振幅會導(dǎo)致補片的弧形半徑增加，故應(yīng)將其預(yù)先彎曲至比平底的弧形半徑稍小，再將已彎曲的補板放置一段時間，然后對其曲線進行半徑修正。

（3）將補片和鍋爐修補缺口磨掉硬邊，然后按照雙面焊的方式在平底焊縫上切出一道斜槽，該焊縫與平底鍋的空隙為2 mm，經(jīng)拋光以消除殘余焊縫。

（4）由合格的、有資質(zhì)的焊工進行焊接，并按照NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測》要求檢驗。

4 預(yù)防措施

從斷裂破壞機理的角度分析，這種裂縫是由于焊接殘余應(yīng)力、運行工況下的應(yīng)力和熱應(yīng)力在焊接過程中累積而形成的，再結(jié)合不順暢的水流而形成的應(yīng)力負(fù)荷，從而形成了疲勞開裂。因此可以采用以下防范措施：

（1）將外排水設(shè)備支架等的鍋筒內(nèi)體與鍋體連接時，應(yīng)盡可能地與鍋體的主體對接焊縫保持一定距離，并盡可能減少支承片等接頭的橫斷面面積，盡可能沿水循環(huán)流動的方向排列。

（2）在確保焊接材料填充的前提下，盡可能地降低焊接殘余高度，并根據(jù)需要進行拋光，以減小殘余高度。

（3）如果需要，在鍋爐的設(shè)計和生產(chǎn)工藝中加入熱處理以減少壓力。

（4）在鍋爐的操作中，應(yīng)盡量減少對鍋爐進行頻繁啟動和停機，造成高負(fù)載的變動。

5 結(jié)束語

檢修后，對停爐進行內(nèi)部檢查，沒有出現(xiàn)任何類似的裂縫，設(shè)備狀態(tài)良好，工作平穩(wěn)。實踐表明，鍋爐的結(jié)構(gòu)缺陷、負(fù)荷波動較大、頻繁啟動引起的周期應(yīng)力負(fù)荷，以及受力集中等，是鍋爐出現(xiàn)裂縫的主要原因，在設(shè)計、制造、安裝過程中要充分重視，盡量減小應(yīng)力的集中，防止出現(xiàn)周期的應(yīng)力負(fù)荷，在生產(chǎn)過程中要防止頻繁啟動、負(fù)荷波動大現(xiàn)象的發(fā)生。