城建构件厂燃气热水锅炉后管板烧裂成因分析

城建构件厂燃气热水锅炉后管板烧裂成因分析摘要：
我公司构件厂购置的一台WNS4.2-95/70-Q燃气热水锅炉，安装后使用不到3个月出现锅炉不能自动点火。

请锅炉生产厂方进行检查，发现锅炉后管板与烟管的焊缝有8处开裂，裂纹环焊缝扩展，裂缝中夹杂有水垢和腐蚀物质。

裂纹起源于后管板与烟管填角焊缝的烟管外表侧。

该锅炉的进出水方式为下进上出机械循环，后管板与烟管连接方式为焊接连接。

打开锅筒内部检查，发现后管板高温段内侧管束群中约有3～4mm厚的水垢，二回程烟管从后管板起向内约500mm 长度范围内结构约1～3mm。

关键字：压力容器技术焊缝改正
2.0调查与检测结果
2.1 检测结果
该锅炉二回程螺纹烟管长度设计值为3225mm，实际测定10根烟管长度结果为3222 mm、3222 mm、3222 mm、3217 mm、3210 mm、3211 mm、3212 mm、3212 mm、3216 mm、3216 mm，比设计尺寸均小；锅炉的后管板厚度为12 mm，低于同规格、同型号的、同压力、同温度的其他生产厂家生产的燃气热水锅炉后管板厚度，其它锅炉厂生产的锅炉后管板厚度均在14～16 mm之间；用深度尺实测未变形后管板12处，两管端平均焊脚高度在1.70～2.70 mm之间，有两根管与管板平齐；经过检测推论认为该锅炉的烟管与管孔焊接前、后均未做预胀以消除缝隙。

2.2委托钢铁研究总院压力容器技术服务部金相分析检测结果
材质化学成分符合国家标准；
填角焊缝总高度为5 mm，比设计要求高度低1 mm；
填角焊缝焊脚高度2.5mm，比设计要求少0.5 mm；
填角焊缝部分焊肉与管壁未溶合，并有尖角；
烟管与管孔焊前或焊后均未做预胀以消除缝隙。

3.0“检测结果”造成后管板与烟管的焊缝有8处开裂原因分析
3.1.强塑性断裂力学分析
按照强度理论，制作锅炉的材料应是均匀、连续、没有缺陷的，更不允许有
裂纹等缺陷存在。

因为锅炉受压元件的安全取决于材料的机械性能、材料的断裂韧性、受压元件外加负荷的受力方式、“原始裂纹”的开口尺寸等因素。

锅炉制造过程中总是不可避免地存在着一些裂纹等缺陷。

对于工业锅炉来说，其受压元件的材料主要是中低强度、高韧性的钢材，这类钢材如有裂纹，裂纹在受外部应力的作用下扩展，此时还伴随有较大范围的塑性变形。

按制造工艺，烟管在管板外侧进行填角焊，管孔与烟管之间必然存在一条缝隙。

按照断裂力学的观点，此条缝是一条由于锅炉自身结构而产生的“裂纹”。

此裂纹尺寸大小以及受外部应力的大小直接影响该处的“原始裂纹”尖端张开位移值（如果在烟管与管孔焊接前、后做了扩胀以消除缝隙的工作，则“原始裂纹”尖端张开位移值就要小的多），当“原始裂纹”张开位移达到某临界值时，裂纹即开始扩展（此处的“应力”主要是指第4.0条中所述的“外部应力”）。

由于“原始裂纹”尖端的不断扩展，此时初始开裂引起填角焊缝被撕裂。

如果外部应力不断增大，并受交变载荷的作用，填角焊缝就会被完全撕裂。

更何况该处锅炉在制造焊接中存在（在未变形开焊处的检测结果）“填角焊缝部分焊肉与管壁未溶合，并有尖角”的质量缺陷。

再加上“填角焊缝总高度为5 mm，比设计要求高度低1 mm；填角焊缝焊脚高度2.5mm，比设计要求少0.5 mm”。

而在已变形、开裂的采集样品上可以看出“填角焊缝总高度只有3 mm，比设计要求高度低3 mm，填角焊缝焊脚高度几乎与后管板平齐，与设计要求相差甚远”，所以上述一切均说明了该锅炉在仅使用了不到3个月就出现了“锅炉后管板与烟管的焊缝有8处开裂”的必然性。

3.2外部应力分析
即然存在焊缝内侧开裂的危险，那么作用于该处的外部应力是如何产生的呢？它主要是由外部各种应力叠加而成的结果。

3.2.1填角焊缝处的拘束应力
该处锅炉的烟管，在锅筒内被两端固定焊接在前后管板上，是刚性连接。

钢管热胀冷缩，相对伸长得不到补偿，即使火侧与水侧换热良好，结果还是如此。

这是因为整根烟管是浸在水中的，由于水温的变化，烟管在长度方向产生热应力，这个热应力当烟管受热伸长时为拉应力，整根烟管冷却收缩时为压应力。

这种拉-压应力反复作用于烟管两端的焊缝上，成为焊缝的拘束应力。

从受力方式上来看，焊缝两端所受的拘束应力使填角焊缝原承受的应力为剪应力，填角焊缝本身承受剪切能力很低，因此填角焊缝被撕裂的形式通常表现为被切断。

更何况该处锅炉在制造焊接中存在“锅炉二回程螺纹烟管长度设计值为3225mm，实际测定10根烟管长度结果为3222 mm、3222 mm、3222 mm、3217 mm、3210 mm、3211 mm、3212 mm、3212 mm、3216 mm、3216 mm，比设计尺寸均小；填角焊缝部分焊肉与管壁未溶合，并有尖角”等许多的质量缺陷。

这更进一步说明了该锅炉在仅使用了不到3个月就出现了“锅炉后管板与烟管的焊缝有8处开裂”的必然结果。

3.2.2孔桥与烟管缝隙的温差应力。

由于锅炉锅筒内水容积大，不论采取强制循环还是自然循环，锅筒内特别是前后管板附近的水速很低时，都会出现水流的停滞区。

而后管板烟气第一回程入口处受到高温烟气（高于900度）快速冲刷，放热激烈，孔桥与烟管之间“缝隙”处的水可能产生局部汽化，形成水-汽两相流体。

由于水蒸汽导热性能很差，填角焊缝得不到冷却，传热恶化，当缝隙中蒸汽压力增大到一定程度之后，蒸汽向水膨胀扩散，蒸汽被水冷却，锅水又进入缝隙冷却焊缝内侧，产生很大的温差应力。

如此反复作用，形成交替热应力循环，加速焊缝内侧开裂。

值得指出的是，热水锅炉系统的循环水量比对应的蒸汽锅炉进水量要大得多，当水循环不畅，水在后管板和烟管焊接交角处紊流旋涡时，锅筒内壁特别是后管板高温段烟管束的内壁很容易凝聚水垢，而水垢自身的热阻就很大，使局部壁温升高，也会增大温差应力。

3.2.3焊接残余应力。

烟管与管板采用焊接连接，其焊根往往会产生局部塑性变形，形成难于消除的残余应力。

这种残余应力本身就作用在焊缝的内侧。

加上管板平面的弯曲应力，这些应力并不是同时起作用的，但以上各种应力结果的叠加，就会使外部应力达到或超过裂纹初始开裂应力，导致焊缝裂纹的扩展，使焊缝撕裂。

3.2.4疲劳使裂纹的扩展
焊缝一旦撕裂或存在焊缝未溶合、焊缝尖角缺陷，它便作为新的裂源向孔桥或焊缝纵深延伸，其机理是：由于热水锅炉用于民用建筑采暖，锅炉的启动停炉比较频繁，如上所述，孔桥与烟管之间的缝隙中水不断“汽化-冷却-汽化”，加上内侧水垢的存在，使壁温升高，水垢坚硬而易脆；一旦破裂，锅水又重新渗入缝隙，冷却内壁，水垢再次“愈合”。

如此反复“升温-冷却-升温”交替进行，产生应力循环。

在此交变载荷作用下，裂纹不断扩展，直到开裂。

值得指出的是，这种疲劳裂纹的脆性断裂，一般都发生在焊缝漏水之后，这种现象应是所谓“先漏后裂”现象。

热水锅炉后管板焊缝开裂漏水是属于低周疲劳损伤，危害性较大，应该引起足够的重视。

4.0间隙对锅炉后管板严重结垢的分析
根据检测结果，本处锅炉后管板与烟管的焊口在焊接前后均未做预胀以消除间隙，至使该处管板内侧孔桥与烟管外壁有1.5mm的间隙。

如果做了预扩胀消除该间隙，则最多只可能是“原始裂纹”，成为热应力造成焊口金属疲劳的诱因。

而如今由于未做预扩胀消除间隙却成为造成后管板高温区结垢的“诱因”。

因为该缝隙内的水受高温的影响，不断汽化留下水垢，循环往复该处水垢愈积愈多，最终造成管板焊缝金属疲劳、开裂、渗漏。

因此更加重水垢的凝结，由于该处各烟管焊口均有这种缺陷，加上缝隙的结垢堆化，因而造成后管板原本水循环就不畅的状态更加严重恶化，更加重了水垢在后管板附近的不断积聚，最终导致管板的热传导受阻，管板温度不能散走，造成管板焊口珠光体球化和渗碳。

5.0锅炉缺陷的改正方向
该热水锅炉由于自身结构上的不足而导致后管板焊缝泄漏。

因此要从结构缺陷改正入手，改正的方面如下：
5.1水管管端焊接于锅筒的内侧，避免了高温热水和水垢对管壁间隙的侵蚀，同时也避免了管壁间隙的局部水域汽化，改善了管壁的传热条件，有效防止后管板焊缝开裂的再发生。

5.2改进后管板内侧的热水循环条件，如进出水管的位置。

5.3将二回程入口处管板与烟管的连接，由直接外部焊接改为先轻度胀接以消除间隙后，然后再焊接。

6.0预防措施
6.1加强水质管理，确保补充水源的质量，每班应进行不小于4次的水质化验。

除对水源的化验外，还应对储水箱、锅炉炉水、排污水、管网回水进行化验。

7.2运行时应注意不能过量的补充冷水，热水系统每小时水损失量应不大于系统水容量的1%。

6.3锅炉运行时启停频繁的热应力也可能导致后管板焊缝疲劳而开裂。

因此，应尽量减少锅炉启停次数，改间歇运行为连续运行。

如果锅炉一昼夜仅发生1次应力循环，则该锅炉至少可安全运行1069天，即可安全运行7个采暖期（一个采暖期以150天计算）。

如果锅炉房内有多台锅炉同时运行，则改多台同时低负荷运行为少台同时高负荷运行，以避免热力不平衡而造成的停炉次数。

6.4锅炉启动时升温和停炉时降温应缓慢进行，以减少温度梯度，可平缓应力幅度。