爐膽裂紋分析

1、偏置爐膽鍋爐管板角焊縫裂紋原因分析及處理摘 要：對(duì)一偏置爐膽臥式燃油鍋爐的管板角焊縫產(chǎn)生裂紋的原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，主要是金屬疲勞、溫差應(yīng)力和過(guò)冷沸騰三者共同作用的結(jié)果；制定出了管板角焊縫裂紋修復(fù)的方案，為鍋爐的安全運(yùn)行和修理改造提供了參考。關(guān)鍵詞：偏置爐膽鍋爐 角焊縫 裂紋1 概述由于國(guó)情的需要，我國(guó)沒(méi)有嚴(yán)格規(guī)定工業(yè)鍋爐的使用壽命，一些投入使用年限已久的鍋爐仍在運(yùn)行。在工業(yè)鍋爐的定期內(nèi)部檢驗(yàn)1過(guò)程中，常發(fā)現(xiàn)一部分使用年限已久的鍋爐存在一些比較嚴(yán)重的超標(biāo)缺陷，鍋爐使用單位出于經(jīng)濟(jì)利益的考慮想繼續(xù)使用，而不愿意提出報(bào)廢鍋爐。在這種情況下，只有詳細(xì)分析產(chǎn)生超標(biāo)缺陷的原因，制定切實(shí)可行的修復(fù)方案，對(duì)超

2、標(biāo)缺陷進(jìn)行返修，在能保證鍋爐安全運(yùn)行的前提下，允許鍋爐繼續(xù)投入使用，進(jìn)一步加強(qiáng)監(jiān)督。2 鍋爐和角焊縫裂紋情況河源市一染整廠一臺(tái)偏置爐膽臥式燃油鍋爐，系德國(guó)“Philipp Loos”鍋爐廠制造，如圖1所示，額定蒸發(fā)量5t/h，最高工作壓力1.0MPa，受熱面積107m2，筒體的材質(zhì)為H，設(shè)計(jì)厚度11mm；爐膽的材質(zhì)為17Mn4，設(shè)計(jì)厚度13mm；管板的材質(zhì)為H，設(shè)計(jì)厚度18mm；制造日期為1986年。鍋爐主要受壓部件為筒體、爐膽、前后管板、第二和第三回程煙管、回燃室等。筒體內(nèi)的爐膽偏離筒體的中心，第二和第三回程煙管的兩端安裝在鍋爐前管板和鍋爐后管板之間。鍋爐運(yùn)行時(shí)，燃油在爐膽內(nèi)燃燒產(chǎn)生的煙氣走

3、向鍋爐筒體后部，再通過(guò)第二回程煙管束走至鍋爐筒體前部，然后轉(zhuǎn)至第三回程煙管束排出鍋爐。在2003年的鍋爐定期內(nèi)部檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：前管板與爐膽連接的角焊縫有兩處裂紋，分別長(zhǎng)100mm和960mm，深約10mm，前管板與筒體連接的角焊縫有一處裂紋，長(zhǎng)2350mm，深約10mm，如圖2所示；后管板與筒體連接的角焊縫有三處裂紋，分別長(zhǎng)400mm，1100mm和160mm，深約10mm，如圖3所示。從圖2和圖3可以看出，檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的裂紋均在靠爐膽側(cè)的管板角焊縫中，且裂紋擴(kuò)展很長(zhǎng)了。圖1 鍋爐示意圖3 角焊縫裂紋原因分析1）金屬疲勞作用。金屬在承受大小和方向都隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的交變載荷的作用時(shí)，盡管載荷所

4、產(chǎn)生的應(yīng)力不大，低于材料的屈服極限，但如果長(zhǎng)期受這種載荷的作用，往往會(huì)在它的表面、晶界及非金屬夾雜物等處產(chǎn)生不均勻的滑移而引起裂紋，這就是金屬的疲勞2。疲勞裂紋核心常常產(chǎn)生在幾何形狀不連續(xù)處等應(yīng)力集中部位。該臺(tái)鍋爐1986年制造，投入使用至今已有十多年，管板處的角焊縫長(zhǎng)期承受鍋爐運(yùn)行中由水位波動(dòng)、壓力波動(dòng)、溫度變化和周期性的外載荷所引起的反復(fù)作用的載荷，再加上管板處的角焊縫是幾何不連續(xù)處，應(yīng)力集中比較嚴(yán)重，因而容易產(chǎn)生疲勞裂紋核心，裂紋核心逐漸擴(kuò)展并互相連接最終形成疲勞裂紋。由于偏置爐膽臥式內(nèi)燃鍋爐自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，爐膽偏離筒體的中心，左右不對(duì)稱，致使整個(gè)鍋爐筒體的重力場(chǎng)、水動(dòng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)左右分

5、布的不對(duì)稱3，因而管板角焊縫承受的交變載荷也左右不對(duì)稱?？繝t膽側(cè)的管板角焊縫相對(duì)的承受更大的周期性變化的交變載荷，更容易形成疲勞裂紋核心，從而發(fā)展成宏觀裂紋。這也就是檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的裂紋均在靠爐膽側(cè)的管板角焊縫中的原因。2）溫差應(yīng)力作用。偏置爐膽臥式內(nèi)燃鍋爐運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的溫差應(yīng)力對(duì)管板角焊縫產(chǎn)生裂紋有較大影響4。通常進(jìn)入第二回程的煙氣溫度大于900 ，而第三回程的煙氣出口溫度一般低于200 。第二、三回程形成的溫差，對(duì)管板產(chǎn)生較大的應(yīng)力。這一是因?yàn)榻橘|(zhì)循環(huán)不均勻、不穩(wěn)定，形成不同的溫度層，對(duì)管板造成較大的應(yīng)力；二是鍋爐結(jié)構(gòu)造成的各部位受熱狀況不同，冷卻條件也不同，造成煙氣側(cè)和水側(cè)溫差過(guò)大，形成和加劇

6、了溫差應(yīng)力。其結(jié)果造成管板處于高應(yīng)力狀態(tài)之下，為管板角焊縫裂紋的形成奠定了基礎(chǔ)。偏置爐膽臥式內(nèi)燃鍋爐的爐膽偏離筒體的中心，燃油在爐膽內(nèi)燃燒，爐膽是熱源，爐膽側(cè)的筒體水空間小，溫度升高得快，因而靠爐膽側(cè)的管板角焊縫的溫度高，易形成不同溫度層，從而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。這也說(shuō)明了為什么檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的裂紋均在靠爐膽側(cè)的管板角焊縫中。圖2 前管板角焊縫裂紋示意圖圖3 后管板角焊縫裂紋示意圖3）過(guò)冷沸騰作用。偏置爐膽臥式內(nèi)燃鍋爐由于本身結(jié)構(gòu)的原因，鍋爐水循環(huán)較差，易形成過(guò)冷沸騰。鍋爐煙氣流程為三回程，當(dāng)煙氣從爐膽進(jìn)入回燃室時(shí)，煙氣溫度仍在900 以上，流動(dòng)煙氣在回燃室轉(zhuǎn)變方向，停留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，造成管板熱負(fù)荷較高

7、，如果筒體下部回燃室管板處工作介質(zhì)側(cè)的水停滯或流速緩慢循環(huán)不暢，就容易出現(xiàn)局部過(guò)冷沸騰，形成熱疲勞源，致使管板角焊縫產(chǎn)生裂紋。4）其它應(yīng)力作用。鍋爐運(yùn)行時(shí)筒體和管板承受內(nèi)壓，爐膽、煙管承受外壓。管板與煙管、爐膽因受力方向不同，形成不同程度的應(yīng)力。4 角焊縫裂紋處理經(jīng)過(guò)對(duì)裂紋產(chǎn)生原因的分析和以往的經(jīng)驗(yàn)，制定了返修方案：第一步，先著色探傷，尋找焊縫裂紋的準(zhǔn)確位置和長(zhǎng)度以及其他位置是否仍存在裂紋； 第二步，裂紋返修，用電弧氣刨將裂紋刨干凈，然后用角向砂輪打磨成坡口，采用2.5mm和3.2mm T507焊條焊接，焊接電源為直流，焊接電流選用70-90A和90-120A；第三步，對(duì)返修位置進(jìn)行超聲波探傷

8、檢查。管板角焊縫裂紋返修后進(jìn)行了質(zhì)量檢查，外觀檢查：經(jīng)返修的焊縫按1996蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程和有關(guān)技術(shù)條件的要求對(duì)焊縫進(jìn)行外觀目測(cè)檢查，結(jié)果合格；超聲波復(fù)探：對(duì)返修位置進(jìn)行100%超聲波探傷復(fù)查，未發(fā)現(xiàn)有超標(biāo)缺陷存在，探傷合格；強(qiáng)度試驗(yàn)：按1996蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程規(guī)定的程序?qū)﹀仩t本體以1.40MPa的試驗(yàn)壓力進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)有滲漏和受壓部件殘余變形的現(xiàn)象，且沒(méi)有壓力降，水壓試驗(yàn)合格。5 結(jié)論這次鍋爐定期檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的偏置爐膽臥式燃油鍋爐的管板角焊縫裂紋產(chǎn)生的原因主要是：1）金屬疲勞作用；2）溫差應(yīng)力作用；3）過(guò)冷沸騰作用。管板角焊縫裂紋按照制定的返修方案返修合格后，鍋爐允許繼續(xù)投入使用，司爐人員要嚴(yán)格按照鍋爐操作程序啟、停鍋爐，加強(qiáng)鍋爐運(yùn)行管理，監(jiān)察人員要加強(qiáng)監(jiān)督，保障鍋爐安全運(yùn)行。參考文獻(xiàn)1 勞動(dòng)部勞部發(fā)1996276號(hào). 蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程. 北京：中國(guó)勞動(dòng)出版社，19962 張燕謀. 鍋爐與壓力容器用鋼. 西安：