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4t/h锅炉筒体开裂分析
葛
翔
(浙江省锅炉压力容器检验所 杭州310020)
摘 要：对运行两年即产生开裂的4töh锅炉筒体进行了化学分析、金相检验、超声波测厚及力学性能检测。检验结果表明，水质不良引起应力腐蚀开裂是造成筒体产生裂纹的主要原因，提出了改进意见。
主题词： 锅炉； 应力腐蚀； 裂纹； 水处理
1 概况
某单位一台DZL4213型锅炉自1991年投运，累计运行两年，筒体发生开裂，喷漏蒸汽。事故发生时，锅筒内压力为0.2MPa，锅炉处于压火停炉状态。该锅炉锅筒设计材质为16Mng，额定蒸发量4t/h，额定工作压力1.27MPa，锅炉设计给水为软化水，水处理设备为两只<500mm钠离子交换器。该锅炉水处理设备长期未正常使用，也未进行水质监督。
现场检验发现，距离锅筒底部第一道环缝中心235mm处母材上有一环向长约150mm的穿透裂纹，裂纹周围约220cm2内有轻微鼓包现象。锅筒内侧底部堆积着70cm×110cm、高度20～40cm的脱落垢渣，垢下筒体表面有腐蚀坑。锅筒排污管道已被垢渣堵塞。
对裂纹及其周围和主焊缝进行了扩展性磁粉探伤，除宏观裂纹外，未发现其它缺陷。
2 理化检验
2.1 宏观检查
宏观下，裂纹开裂方向与拉应力方向垂直，裂纹开口平直，有棱角，其周围没有明显的塑性变形，裂纹内有大量腐蚀产物，呈较明显的脆性裂纹特征。
2.2 水质和垢样分析
水垢经分析为碳酸盐和硅酸盐混合水垢，质坚硬。对锅炉给水及锅水取样进行分析(表1)，结果表明，锅水中氯离子高度浓缩、碱度低，给水硬度严重超标，均不符合GB1576-1996《低压锅炉水质》标准。
2.3 材质分析
在锅炉筒体裂纹附近取样进行化学成分分析，结果表明，该材料符合GB713-1986《锅炉用碳素钢和低合金钢板》中16Mng的规定要求，见表2。
2.4 金相分析
取该裂纹横截面制成金相试样，显微镜下观察：
(1)基体组织为A+P，晶粒度9级，晶粒度级差2级，带状组织4～5级，碳化物明显沿轧制方向分布。另外，未发现基体有明显过烧组织和因过热引起的晶粒粗大现象及魏氏组织等缺陷。
(2)该裂纹延伸部位存在大量腐蚀孔道，有主裂纹和许多二次裂纹，裂纹扩展方向与轧制方向垂直，裂纹曲折、散乱、宽度不一(见图1)。主裂纹中有大量腐蚀产物，为较明显的腐蚀裂纹(见图2)。
图1 裂纹形貌 100×
图2 腐蚀裂纹形貌 100×
(3)二次裂纹沿轧制方向和垂直于轧制方向同时扩展，有些二次裂纹的尖端钝化，显示出较明显的腐蚀发展迹象(见图3和图4)。
图3 二次裂纹形貌 100×
图4 二次裂纹形貌 400×
2.5 硬度测定
对裂纹周围以及基体母材区进行硬度测定，结果见表3，可见裂纹区有一定局部过热，导致硬度有所降低。
2.6 超声波测厚
对裂纹周围300cm2范围内的筒体进行超声波测厚(见表4)，设计选用厚度为18mm。结果表明，各点有效厚度均在设计厚度负偏差内，该区域无减薄现象，也说明开裂无明显塑性变形。
3 分析与结论
综上所述，本例锅炉筒体开裂是因水质不良引起的应力腐蚀开裂失效。根据GB1576-1996《低压锅炉水质》标准，该锅炉用水的各项技术指标均未达到使用要求，给锅炉的正常运行带来了隐患。由于锅水中含有各种复杂盐类，极易形成水垢，并不断沉积在筒壁，形成坚硬的硅酸盐水垢，同时筒壁外侧直接受高温烘烤，导致壁温升高，造成锅水中各种盐类和氯离子进一步浓缩，碱度进一步降低(pH=6.8)，呈微酸性，在化学腐蚀和电化学腐蚀的共同作用下，金属表面的保护膜受到破坏(该保护膜在pH为10～12时最为稳定)，而在材料表面存在的细小制造缺陷，或由某一点的局部腐蚀形成腐蚀坑都能成为裂纹源。同时，由于锅水中溶解氧的作用，形成腐蚀电池，所以因该腐蚀电池是大面积阴极和小面积阳极组成的电池对，将加快腐蚀发展。上述过程为
H++e→H
(1)
Fe-2e→Fe2+
(2)
O2+2H2O+4e→4OH-
(3)
同时，由于壁温超高，锅水中各种盐类和Cl-的浓缩及拉应力的作用，使阴极和阳极的电位差发生变化，从而使腐蚀大大加快，裂纹不断扩展。裂纹发展到一定程度，受拉应力作用，裂纹会在某个门槛值KSC下突然发生扩展，导致在没有明显塑性变形的条件下发生脆性破裂。
4 改进意见
根据以上分析，在对该部位挖补修理后，提出如下改进意见。
(1)使用单位要加强锅炉运行管理工作。
(2)及时清除锅炉内水侧表面的垢渣，进行化学除垢工作，疏通锅筒排污管道。
(3)仔细检查受压元件水侧表面有无其它缺陷存在，对缺陷应及时采取措施。
(4)搞好水质处理及水质化验工作，水质各项指标均应控制在GB1576-1996标准规定的正常范围内。
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