探讨内燃式锅炉受压元件低周疲劳破坏

鲍旭铭

（宁波市特种设备检验研究院，浙江 宁波 315048）

探讨内燃式锅炉受压元件低周疲劳破坏

鲍旭铭

（宁波市特种设备检验研究院，浙江 宁波 315048）

本文主要对内燃式锅炉受压元件的低周疲劳破坏的特点进行分析，明确受压元件的低周疲劳破坏是锅炉局部出现裂缝导致泄漏问题的主要原因，并提出一些避免低周疲劳破坏的工艺方法来促进锅炉的安全稳定运行。

锅炉；受压元件；低周疲劳破坏；工艺方法

内燃式锅炉受压元件低周疲劳破坏是锅炉运行中的一个重要问题，一旦出现失效情况会严重影响锅炉的安全运行，甚至会出现锅炉泄漏或爆炸的情况而危及人身财产安全，在此种情况下，加大力度对工业锅炉受压元件低周疲劳破坏进行研究和分析，并为工业锅炉设计和制造过程提供科学化的理论依据，以确保锅炉的安全稳定运行，促进其经济效益和社会效益的提升。

1.内燃式锅炉受压元件产生裂纹的常见部位

根据锅炉定期检验情况，对近几年来内燃式锅炉受压元件产生裂纹的原因进行分析和研究后，可以发现内燃式锅炉受压元件由于低周疲劳破坏产生裂纹的常见部位主要有：

（1）集中于炉胆与前管板填角焊缝部位，呈现放射状，且具有一定的穿透性。

（2）回燃室内前管板孔桥与管端处也比较容易出现裂缝。

（3）拉撑圆钢自身局部受到锅炉运行过程中多种因素的作用也会出现不同程度的断裂情况。

2.内燃式锅炉受压元件低周疲劳的原因

2.1 裂纹的产生原因

以强度计算书为主要依据进行查算和复验后，可以发现所取得管板、锥形炉胆以及拉撑圆钢等锅炉受压元件的实际厚度与直径均能够与锅炉受压元件的强度计算标准保持一致，并且具有一定的裕度。此种情况表明，锅炉受压元件的理论计算强度与其实际强度能够保持协调一致，在锅炉投入运行1～3年后，裂纹逐渐产生，在对裂纹进行系统化分析后，可以确定低周疲劳破坏是锅炉受压元件出现裂纹的最主要原因。

在压力作用稳定的情况下，锅炉运行过程中，其受压元件局部存在一定的应力集中情况，并且受压元件的局部处于比较明显的塑性调整状态，并不会对锅炉受压元件的实际强度造成影响。那么在锅炉的实际运行过程中，若处于交变的压力作用下，应力集中部位极易出现疲劳裂纹，并且随着使用时间的延长，疲劳裂纹会逐渐扩展，最终导致受压元件出现失效。

2.2 应力分析

就工业锅炉运行的实际情况来看，其受压元件的受力主要来自于介质压力、温度应力以及工艺应力等。

（1）介质压力，受压元件所受到的应力主要分为一次应力、二次应力以及峰值应力。那么一次应力主要以弯曲应力为表现形式，二次应力是在介质压力条件下所产生的一种间接应力，主要出现于结合特性不同的衔接部位，目的是为了更好地满足变形连续条件，以促进锅炉受压元件的实际应用价值的有效发挥。就实际情况来看，二次应力主要在局部发生，因此也称作局部弯曲应力。

（2）温度应力，是在锅炉正常运行条件下所产生的一种热应力，与锅炉受压元件的温差之间存在着密切的联系，其该热应力具有比较明显的稳定性，尤其是变工况条件下，锅炉受压元件主要是由受压元件壁的温差出现变动后，所导致热应力的定期变化，从而导致交变热应力的出现。与此同时，在受压元件壁温波动的情况下，其个别部位也会出现频率较大的交变热应力。

（3）工艺热应力则相对比较简单，主要包括焊接残余应力以及组对装配残余应力等。总的来讲，锅炉受压元件失效部位大多集中于一次应力、二次应力、峰值应力以及工艺应力之和等应力场，对锅炉的实际运行情况产生不同程度的影响。

2.3 低周疲劳强度计算比较

当前我国低周疲劳强度计算方法主要以粗估法和分析法为主，仍有待加以补充和完善。其中，粗估法即低周疲劳设计曲线法，能够对低周疲劳强度进行简单的计算比较。而分析法是裂纹生长过程分析法的简称，能够对所分析的部位进行科学合理的低周疲劳强度计算。低周疲劳设计曲线如图1所示，在对图1进行观察分析的基础上，可以发现以应力变化周数为主要因素，能够对锅炉受压元件的实际允许应力幅度值进行明确，具有一定的合理性。

通过研究分析可知，锅炉受压元件的应力幅值较大，在膜应力与弯曲应力以及峰值应力等的应力分量中，仅仅峰值应力能够具有明显的增大趋势，也就是说，应当以最大剪应力理论为主要依据，来进行精准可靠地计算，以促进当量应力的提升，进而在最大程度上降低周疲劳循环周数，对局部失效的可能性进行有效地控制。

3.内燃式锅炉受压元件由于低周疲劳产生裂纹的常见部位峰值应力的具体分析及解决措施

3.1 炉胆与前管板连接的填角焊缝

此处的峰值应力主要表现在几何形状突变导致的应力集中，特别是当锥型炉胆无直边段时尤为突出，另外，护胆与管板连接处有复杂的热应力场，也是峰值应力过高的原因之一。

显而易见，最大可能地改变此处的几何形状，是解决此问题的根本，如锥壁炉胆加直边段等，一般将填角焊缝改为管板扳边处与炉胆连接的对接焊缝，就可以从根本上解决这个问题。

3.2 回燃室内前管板孔桥

此处的峰值应力主要表现在热应力，由于烟管与管孔之间的间隙，导致发生过冷沸腾现象，直接产生了交变的热应力。对于由塑性材料制成的受压元件，热应力不会使元件失效，而周期变动的热应力则影响较大，即使是塑性材料，如热应力引起周期变动的塑性变形，则元件可能产生低周疲劳破坏。

最大可能地消除烟管与管孔的间隙，是降低峰值应力的关键所在，为此，采用对此高温区的烟管进行焊前预胀消除间隙的方法。焊后机加工管端伸出焊缝部分，严格焊接规范，减小焊接残余应力，可有效地防止此处产生低周疲劳破坏。

3.3 拉撑圆钢与管板连接处

此处的峰值应力主要来源于焊接残余应力，热应力和应力集中。为了保证圆钢与管板全焊透，必须开单面坡口，圆钢与管板的形状差别为了保证变形连续即产生了较高焊接残余应力。

在锅炉实际运行过程中，为了更好地解决受压元件低周疲劳破坏问题，研究人员应当立足于理论条件的基础上，从焊缝坡口形状以及焊接规范入手，严格遵照锅炉受压元件的相关工艺参数来进行操作，最大程度地对受压元件的产生的应力进行控制，并通过以下措施来进行有效地解决。做好焊接之前的预热工作，减小焊缝区域与其周围部分的温差，以确保其焊接应力与锅炉受压元件的实际需求保持高度一致。待焊接完成后，应当及时回火，以适度减小焊接应力。与此同时，机械拉伸也不失为一种有效地降低焊接应力的方式。

3.4 斜拉杆

就锅炉实际运行情况来看，斜拉杆断裂的情况也时有发生，会导致裂纹不断扩展，从而影响锅炉安全运行。原材料中存在着多元化形态的微观裂纹，分布于原材料的表面和内部，大部分不会对受压元件的强度造成影响。但是，一旦存在能够引起交变荷载作用下的扩展裂纹时，锅炉运行就存在一定的危险性。那么在实际加工制造过程中，应当积极改善斜拉杆的加工工艺，尤其是在煨制的过程中，应当将煨弯部位的裂纹隐患进行及时有效地控制和处理，以免出现低周疲劳破坏的情况而影响锅炉的安全运行。

结语

就宏观层面来看，工业锅炉受压元件低周疲劳破坏会对锅炉的运行造成严重的影响，在制约其经济效益的同时，也给人民群众的生命财产安全造成了严重的威胁，在此种情况下，加强锅炉受压元件低周疲劳破坏的研究和分析，具有重要的现实意义。相关研究人员应当加大力度对低周疲劳破坏进行理论研究，并积极完善其解决措施，推进锅炉制造技术的发展，确保锅炉的安全稳定运行，推进社会的长足发展。

［1］陈晓锟，李启平，郭新良.利用络合剂提高碳钢耐蚀性的应用［J］.云南电力技术，2015（6）：3.

［2］桑清莲.锅炉用Super304H钢的腐蚀性能研究［J］.铸造技术，2016（2）：19.

［3］崔菁.锅炉压力容器钢板韧脆在温度变化中的转变［J］.中国新技术新产品，2016（7）：63.

［4］俞林江，殷凯斯.基于GB/T16507标准的ASME材料许用应力转换规则探讨［J］.工业锅炉，2015（5）：38.

TK225

A