废热锅炉筒体环焊缝裂纹失效分析

尹建斌 邵冬冬 过世钧 金学峰 柴斌斌

（宁波市特种设备检验研究院 宁波 315048）

废热锅炉筒体环焊缝裂纹失效分析

尹建斌 邵冬冬 过世钧 金学峰 柴斌斌

（宁波市特种设备检验研究院 宁波 315048）

某化工液氯装置20G废热锅炉筒体环焊缝上有横向的裂纹，经对该裂纹化学成分，宏微观断口，金相和硬度等分析，结合筒体环焊缝的受力情况，以及裂纹的位置，且其具体的工作环境，对横向裂纹产生的原因进行分析研究。结果表明：废热锅炉的环焊缝裂纹是由于应力腐蚀产生的，同时水质的不良加速了裂纹的扩展。

废热锅炉 碱致应力腐蚀 失效分析

1 问题概要

某化工企业液氯装置整体搬迁，其中有两台废热锅炉投用前进行定期检验（其具体参数和设计要求参见表1）经射线检测发现人孔端封头与筒体连接的环焊缝有一横向裂纹（位置详见焊缝布置图1），从底片上可以看出其贯穿整条焊缝，延伸到母材，总长约70mm，后经现场确认，发现该缺陷在内表面，打磨清理后，可清晰看出为筒体内部的浅表面裂纹，深度大约4～6mm呈树枝分叉状开裂（见图2）。为了探讨裂纹产生的原因，对筒体的环焊缝进行了相关的检查和分析。

表1 废热锅炉设备技术参数

图1 废热锅炉焊缝位置

图2 筒体内表面环焊缝处裂纹

2 相关检查与分析

2.1 化学成分

分别对废热锅炉环焊缝裂纹部位焊缝区和母材区取样进行化学分析，其结果见表2。

表2 化学成分分析结果 （质量百分数%）

由表2可知，该母材和焊缝的化学成分都符合GB 6654—1996《压力容器用钢》。

2.2 宏观检验

该裂纹在内表面，经打磨处理整条裂纹呈树枝分叉状（见图2、图4），且在裂纹周围有明显的腐蚀痕迹（见图3），从图5、图9可以看出裂纹与环焊缝的方向垂直并向母材扩展，扩展到母材后在裂纹尖端上衍射出细小网状的二次裂纹。对裂纹取样，垂直裂纹沿厚度方向切开，发现裂纹呈V型由焊缝内表面向外表面扩展，深度达到3～4mm，断口部位区域呈棕黑色，有腐蚀迹象，裂纹深度不一，靠母材裂纹较浅。

2.3 金相组织、硬度分析

图3 裂纹周围腐蚀形貌

图4 抛光后裂纹形貌

图5 厚度截面上的裂纹形貌

焊缝区组织为先共析铁素体加铁素体加珠光体，母材区组织为铁素体加珠光体，热影响区为铁素体加珠光体，少量的贝氏体，裂纹区组织与母材组织一致，裂纹横断截面的100倍组织也与母材基本一致，详见图6～图9，从金相组织分析结果可以看出，试样上所取的四个区的组织基本符合焊接过程中相应区域的组织要求，特别是裂纹区组织与母材组织基本一致，且有大量针状的铁素体，其具有较好的防止裂纹扩展的组织属于良好力学性质的组织。另外对裂纹焊缝区、裂纹热影响区、外表面母材区和外表面热影响区四个区域进行里氏硬度的测定，其测定结果见表3，可以看出实测硬度值在材料硬度正常范围内，无明显差异。

图6 母材组织500×

图7 裂纹区组织 500×

表3 外表面热影响区实测硬度值

图8 焊缝焊缝和热影响区组织500×

图9 裂纹横断面组织100×

2.4 工作环境分析

该设备1996年投入使用，是液氯装置尾气燃烧后的余热回收装置，热水通过一个再沸器进行加热，然后进入筒体内，是自然循环的废热锅炉的气包；首先由于锅炉蒸发量不是很大，有两台设备轮换运行，2000～2010年间由于发生了消防事故，后来又搬迁，装置经常是间歇停车，一般情况下水侧在高温时筒体铁与水发生反应，形成氧化铁保护层，但停机时温度变化过大，会使保护层破裂，铁在低温会与水作用，但不能生成氧化铁保护层，由于停机过久会产生点蚀；同时水质管理比较混乱，锅炉水虽然经过脱盐、脱氧和加药等严格处理，但水质分析偏碱性。

3 综合分析和结论

该废热锅炉筒体的工作压力为1.43MPa，工作温度为195℃，根据无力矩理筒体的环向应力为轴向应力的两倍，且筒体与封头连接的环焊缝残余应力最集中的地方，所以该焊缝位置受到最大的应力；筒体裂纹的方向与环焊缝垂直，从裂纹的宏观形态可以看出呈放射状，先从焊缝出开始，向两边母材扩展；再结合裂纹试样的断口面分析，裂纹起始位置位于焊缝内表面，在此处起裂后沿壁厚方向往外扩展；焊缝附近有明显的腐蚀坑，在没有打磨前结有水垢锈堆，发生了严重的电化学腐蚀，导致微裂纹的形成，继而在机械应力、残余应力、热应力和电化学腐蚀的共同作用下微裂纹开始扩展长大；该设备的水质疏于管理，未能达到标准要求，水垢含有大量的Ca和Na元素，水质碱性溶度偏大，加之195℃左右的蒸汽温度，为腐蚀提供了环境和温度，另外该裂纹靠近液面附近，沿筒体轴向扩展，而此区域是锅炉内极易产生结垢位置，此部位在195℃环境中液面波动可能会产生复杂的化学反应，所以从废热锅炉筒体裂纹实际情况来看，水质对裂纹的产生和发展具有较大影响。综上所述，该锅筒环焊缝横向裂纹，主要是环焊缝内壁产生严重的电化学腐蚀，继而在环向应力的作用下产生微裂纹，进而在碱性比较大的环境和应力的共同作用下，裂纹开始扩展，最终沿壁厚方向贯穿。废热锅炉经常出现的一种腐蚀现象，即在焊缝残余应力比较大且水质碱性比较大的两种条件下，对碳钢形成的一种应力腐蚀，简称碱致应力腐蚀。

此类废热锅炉要严格控制制造焊接质量，在使用管理方面加强给水的水质管理，减少结垢，缓解电化学腐蚀发生。

在成套化工和节能减排装置中该类似废热锅炉比较常见，在定期检验过程中，要针对该类型的应力腐蚀的检验，尤其重点对筒体内表面的检查，确保设备安全运行。

1 何家胜，陈才，彭丹柳，杨红，刘杰. 废热锅炉筒体环焊缝开裂失效分析[J].石油化工腐蚀与防护,2011 (2).

2 黄莹，李建明，陈志，蒯念生. 废热锅炉产生裂纹的事故分析与安全管理[J].四川化工,2008 (6).

3 潘金平, 潘柏定, 程宏辉, 祝新伟. 20G 硬度与球化关系研究及寿命评估新方法[J]. 材料热处理技术,2012 (12).

Failure Anlysis of a Crack on the Girth weld of a Waste Heat Boiler Cylinder

Y
in Jianbin Shao Dongdong Guo Shijun Jin Xuefeng Chai Binbin
( Ningbo Institute of Special Equipment Inspection Ningbo 315048)

A transverse crack is found on the girth weld of a waste heat boiler.According to chemical composition, macro/micro fracture of the crack, hardness and metallographic analysis is done for the crack, in combination with the stress analysis of the girth weld、the location of the crack and the specifc work environment , the cause of transverse crack is analyzed. The results shows that the transverse crack on the girth weld of the waste heat boiler is generated by stress corrosion, and harmful water quality accelerated the crack extension.

Waste heat boiler Transverse crack Failure analysis Alkali stress corrosion

X928.3

B

1673－257X(2014)11－26－03

10.3969/j.issn.1673-257X.2014.11.008

尹建斌（1974～），男 ，高级工程师，从事特种设备检验工作。

2014-07-23）