锅炉裂纹缺陷产生的原因分析

大 庆 石 油 学 院 学 报　第21卷　第2期　1997年6月JOU RNAL OF DAQING PET ROLEUM INS TIT UT E Vol.21No.2J un.1997锅炉裂纹缺陷产生的原因分析¹

夏长友1)º　韩其君2)　王中东3)

1)　大庆输油公司,林源,163852

2)　大庆石油化工工程公司,大庆,163714

3)　大庆石油学院石油机械系,安达,151400

摘　要　对锅炉裂纹缺陷的形成、发展、特征及产生原因和危害从焊接和腐蚀等角度进行了分析,具体叙述了裂纹产生的部位和判定的基本方法,对苛性脆化产生原因及预防进行了比较详细的介绍,对防止锅炉产生裂纹的措施做了具体讨论。

主题词　锅炉;裂纹;原因分析;判定;措施

中图法分类号　T E937.3

0　前言

锅炉诸多缺陷中,裂纹缺陷是最大的隐患。锅炉本体及受压元件的裂纹缺陷种类很多,只有清楚锅炉裂纹缺陷的形成、发展规律,才能判定出不同结构类型的锅炉容易产生裂纹的常见部位。锅炉本体及受压元件常见的裂纹缺陷,一是焊接裂纹,按其产生的原因和过程分为焊接热裂纹和焊接冷裂纹;二是腐蚀裂纹,主要指苛性脆化碱腐蚀裂纹;三是疲劳裂纹和腐蚀性疲劳裂纹。

1　焊接裂纹

一般是在锅炉制造过程中产生的。现代锅炉和压力容器的加工制造是使用特定金属板卷制、焊接而成,裂纹和微裂纹出现在焊接过程中是难免的,这种裂纹是在高温条件下产生的焊接热裂纹。

金属材料焊接冷却较长时间后会出现焊接冷裂纹。原因是在焊接金属冷却金相组织中有溶解的氢元素存在。氢的溶解度在不同金相组织中不同,尤其是金属中含有低碳合金钢和具有淬火倾向的碳素钢时,当焊缝的金属逐渐冷却,金相组织中的奥氏体向铁素体转变,焊缝因不同溶解度过饱和氢的扩散聚集,会出现显微氢裂痕,随冷却时间的延长,裂痕逐渐扩展成焊接冷裂纹。

1.1　热裂纹性质特征

一是在金属结晶过程中相变前发生的晶格缺陷,裂纹具有微观的晶格破坏性质;二是具有焊接工艺特定的普遍性;三是焊接热裂纹,当暴露的焊缝表面与大气相通时,裂纹表面呈蓝色或黑蓝色。

收稿日期:1996-11-15 审稿人:朱瑞东

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º此文联系人:夏长友,男,1961年生。1981年毕业于承德石油学校机械制造专业。工程师。科研方向:化工机械。

大　庆　石　油　学　院　学　报第21卷　1997年

1.2　冷裂纹性质特征

一是形成的长时间性,在温度相当低及焊接结束后较长一段时间内产生,而由氢裂痕转变为裂纹又需要经历一段孕育时间,又称为延迟裂纹;二是具有难以检测查找的隐蔽性,延迟裂纹产生初期,形态微细,呈晶间穿透性质,尤其裂纹形成又是在焊接后较长一段时间发生,检验难度大,因此,裂纹隐患的危害性也较大。

焊接裂纹是在焊接工艺过程中产生的缺陷,产生的部位一般在锅炉本体焊缝及热影响区。对焊接冷裂纹不能轻视,在锅炉定期检测和维修中,对锅炉受压元件所有部位的焊缝及焊缝周围部位都应认真检测,其中重点部位有锅筒纵环焊缝及焊缝热影响区、与锅筒箱相连接的管束系列交接处焊缝和角焊缝及附近部位。同时要重点检测焊缝焊口本身、焊缝焊趾、焊缝根部、焊缝咬边裂痕、焊道弧坑及其它焊接缺陷等处。

1.3　预防措施

一是在锅炉及受压元件的制造材料上根据要求予以严格控制;二是制定合理科学的焊接工艺规范并严格执行;三是应根据技术要求对焊件进行热处理。

2　锅炉腐蚀裂纹

锅炉腐蚀裂纹主要指因碱腐蚀作用而造成的苛性脆化现象。腐蚀裂纹缺陷的产生,除因碱性腐蚀介质侵蚀作用外,也有受压元件拉应力作用的影响,两种因素共同作用导致裂纹萌生。因此,苛性脆化裂纹也称应力腐蚀裂纹。

2.1　苛性脆化裂纹产生原因

当锅炉钢板受到较大浓度的碱水侵蚀时,在金属晶体和晶间产生了电位差。晶粒本身电位高形成了阴极,而晶界间的电位低形成了阳极,在晶粒和晶间产生了微电流,腐蚀沿晶界面向纵深发展,在金属内部产生了裂纹。

2.2　应力腐蚀裂纹性质特征

一是苛性脆化产生的裂纹,裂纹从里向外发展,一般分布在应力最大的部位;二是用显微镜观察有主裂纹和支裂纹,主裂纹穿晶,支裂纹沿晶发展,并成放射状分布于主裂纹周围;三是如果苛性脆化裂纹发展到肉眼能观察到时,可以发现裂纹的裂口是陈旧的,附近有黑色的氧化铁产生,但裂纹附近材料不变,钢材无变形。

在锅炉定期检验中,苛性脆化裂纹不能用机械性能来检验,简单的方法是用肉眼观察锅炉的焊缝部位、铆接及胀接部位,是否有泄漏和积盐现象,并用手锤敲击焊缝部位等处,观察是否有金属片脱落现象;另一种检验方法用仪器来检查,一般用磁力探伤、射线探伤或超声波探伤等。在锅炉检验前,还要分析水质处理情况,主要检查水中的侵蚀性介质,重点指标是游离碱度。

2.3　苛性脆化裂纹控制[1]

一是从制作工艺上尽可能消除应力集中,避免运行时的局部浓缩;二是加强水质管理,消除炉水中的侵蚀性物质,控制水中的相对碱度,这是一项重要的预防措施,一般要求¹维持炉水中相对碱度(游离碱度/溶解固形物)不大于0.2。游离碱是碳酸盐在炉内经过浓缩分解以后产生的氢氧化钠

第2期 夏长友:锅炉裂纹缺陷产生的原因分析

NaHCO3NaOH+CO2↑

只有提高和改善水处理工艺,降低水中的重碳酸盐,才是降低炉水中游离碱度的有力措施。

º炉水中协调磷酸盐处理

是在炉水中加部分磷酸盐,来降低炉水中的游离碱度,通常加入的是Na2HPO4或NaH2PO4或同时使用这两种酸式磷酸盐,反应式为

Na2HPO4+NaOH Na3PO4+H2O

NaH2PO4+2NaOH Na3PO4+2H2O

磷酸三钠水解以后产生NaOH,不是游离碱,不会因炉水而影响苛性脆化,反应式为Na3PO4+H2O=NaOH+Na2HPO4

»给水加酸处理

为了降低炉水中的游离碱度,有时采用给水加酸处理,反应式为

2NaHCO3+2H+2Na++2CO2↑+2H2O

给水加酸时,要严格控制给水中的残余碱度,防止造成酸性腐蚀。

3　疲劳裂纹和腐蚀疲劳裂纹

疲劳裂纹和腐蚀疲劳裂纹是锅炉定期检验中遇到较多的一类裂纹隐患。腐蚀疲劳裂纹大多是在形成疲劳裂痕基础上由交变应力和腐蚀性介质共同作用而产生的。因此,疲劳裂纹也是产生腐蚀疲劳裂纹的前提因素,这两种裂纹缺陷的性质基本是一致的,都是在锅炉使用过程中发生的裂纹,是锅炉受压元件失效的主要因素。

疲劳裂纹和腐蚀疲劳裂纹产生的金属材料疲劳破坏是由锅炉设备本身二次条件所决定的,锅炉在运行中,部件温度、流速和负荷变化大,管线中水汽混合,启停炉次数频繁以及压力和温度的波动等均会引起应力交变。这种交变应力的循环作用是促使锅炉金属材料疲劳腐蚀裂纹破坏的主要原因。

3.1　疲劳裂纹和腐蚀疲劳裂纹的性质

一是产生部位有规律性和特定性,凡应力集中部位都是产生疲劳裂纹的开始部位。二是疲劳裂纹形成起始阶段形态微细,随时间推移裂纹有扩延趋势,裂纹发展需要较长一段时间,因此,具有裂纹初始的隐蔽性和发展的缓慢性。

3.2　应力集中部位的分析

对不同结构类型锅炉进行不同的分析[2]。(1)卧式锅壳式锅炉检测的主要部位有锅筒与封头或管板板边圆弧区的四周边缘部位;锅筒内上下角板拉撑式圆钢拉撑与锅筒式管板接缝处;锅筒内给水的水位线汽水波动处;有内炉胆的锅炉炉胆与封头连接处;卧式锅炉管板与烟管相连的管孔处;胀接的烟管胀口管端与管内壁处;具有波形炉胆的下圆弧管板边处;主副蒸汽管、给水管、排污管的管座附近;排污管的管肘部弯曲处;其它锅炉炉内水空间范围受压元件的连接处。(2)立式锅炉的检测部位有炉胆下角圈的接缝处,整个周圈的边缘处、炉胆下侧呈S型的板边处、炉胆与水空间相连接的喉口周围区域。