KZL热水锅炉后管板孔桥断裂失效分析

［摘要］本文应用断裂力学分析KZL热水锅炉后管板孔桥断裂失效问题，认为产生断裂的原因是由于锅炉自身结构不合理而产生的。

 

一.引言

KZL型热水锅炉运行使用不久，后管板孔桥发生漏水断裂现象已经不是新问题了。开始人们怪罪于烟管的焊接和锅内的强制循环，但是后来发现，烟管的胀接和锅内的自然循环同样也发生漏水和断裂，如此看来，孔桥的断裂不仅仅与烟管的连接方式和锅内水的循环方式有关，可能还与其他因素有关。许多事实表明，各种构件的断裂与受力有关，这样，就使我们可以从受力的角度来分析这一问题。为了便于集中讨论问题，本文主要讨论烟管焊接的孔桥断裂问题。

二.孔桥断裂机理

例如，我厂1981年生产的一台KZL 240-7/95-70-AII热水锅炉，安装后使用不到三个月就出现后管板漏水，停炉检查发现后管板高温段的孔桥高温段的孔桥有三处断裂，裂纹开口较宽，长度较短，边缘平滑，粗糙度测量仪 http://www.cucaoduceliangyi.com 裂纹尖端圆钝，有部分塑性变形，裂缝中夹杂有水垢、烟灰和腐蚀物质。裂纹起源于烟管填角焊缝内例，向外侧扩展，并向孔桥母材和烟管纵向延伸，呈二维开裂，烟管端部有局部过烧痕迹，取样显微（电镜）观察，发现孔桥裂纹附近基本组织是条状珠光体加铁素体，并有少量魏氏组织，晶粒较粗大，断口特征沿晶、穿晶均有；离裂纹10毫米处显微组织为珠光体加铁素体，晶粒细小均匀，取样进行化学元素分析和机械性能试验，结果如下：

　

化学成分（%）  机械性能

 

C Si Mn S P σs

(kgf/mm2) σb

(kgf/mm2) δ5（%） ακ

(kgf·m/cm2) 冷弯

d=2a

孔桥裂纹处附近取样 0.17 0.22 0.43 0.017 0.010 24.5 39.5 32.5 10.5 合格

原母材（20g） 0.18 0.23 0.43 0.018 0.011 32 45.5 29 11 合格

注：1.在后管板孔桥断裂处附近取样；

2.原母材的化学成分和机械性能为原材料进厂复验收据，符合GB713-72标准中的20g锅炉钢板。

从以上试验结果可以看出，孔桥裂纹附近材料的化学成分几乎没有改变，机械性能的强度有所下降，塑性上升，而冲击韧性和冷弯工艺性能没有改变。

3.该锅炉的进出水方式为上进上出自然循环，烟管与管板连接方式为焊接。在修理时发现后管板高温段内侧管束群中积有4－8毫米厚的水垢。

三. 弹塑性断裂力学分析

按照强度理论，制作锅炉的材料是均匀的连续的和没有缺陷的，锅炉制造质量中也不允许有“裂纹”等缺陷存在的。但这仅是假设，并不符合客观实际，实际上在材料内部和锅炉制造过程中总是不可避免地存在着一些“裂纹”等缺陷的。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，在裂纹扩展前通常伴随有较大范围的屈服和塑性变形。按断裂力学观点分析这类裂纹问题时，需要用弹塑性断裂力学来求解，即：

 

式中：δ—裂纹开张位移（COD），mm；C—裂纹长度之半（或贯穿于全厚度或近于全厚度的裂纹），mm；σs—钢材屈服强度，N/mm2 (kgf/mm2)；E—弹性模量，N/mm2 (kgf/mm)；σ—裂纹所在处的应力，N/mm2 (kgf/mm2)

此式把应力、裂纹尺寸和裂纹尖端张开位移联系起来了。如应力增大，无损检测资源网裂纹张开位移也增大，当裂纹张开位移达到某临界值σc时，裂纹即开始扩展，此σc值称为“临界张开位移”，它仅与材料性质有关。判定的准则是：当σ≥σc时，裂纹扩展或材料失效。

为叙述的方便，现以上述KZL 240-7/95-70热水锅炉为例进行分析，其工作压力P=0.686N/cm2(7kgf/cm2)，内径D=1800mm，后管板材料为20g，屈服强度σs＝313.6N/mm2(32kgf/mm2)，板厚S=16mm，E=20.6×104N/mm(2.1×104kgf/mm)，烟管与管板连接方式为外侧填角焊，焊脚高度为4mm，如图二。

 

按制造工艺，烟管仅在管板外侧进行封焊，因此，管孔与烟管之间必然存在一条缝隙，按照断裂力学的观点，此条缝隙就是一条由于锅炉自身结构而产生的“裂纹”。

从有关资料中阅到：20g钢板，当板厚S=16mm，σs＝32kgf/cm2时，其材料断裂韧性值即临界张开位移σc＝0.114－0.147mm，平均断裂韧性值σc＝0.136mm。根据焊缝设计的等强度原则，设焊接断裂韧性与母材等效，取焊缝的σc＝0.136mm。如前所述，后管板孔桥的断裂首先是由填角焊缝的被撕裂而引起的，管孔与烟管之间的“原始裂纹”如受外部应力的作用，其裂纹夹端会引起扩展，此时初始开裂应力为：

 

式中：M—鼓胀效应修正系数， 对于平板取M=1

取σc=σs'=240N/mm2 (24.532kgf/cm2)，C=16mm，代入上式， 得：

  （23.6 kgf/cm2）

此时开裂应力小于母材的屈服应力，也小于孔桥裂纹附近处的屈服应力，即：σc≤σs，  σc＜σ s’

可见，填角焊缝内侧开裂处的应力场仍处于弹性范围内。为什么焊缝在低应力下就出现开裂呢？按照传统的观念，这种现象似乎不好解释，但按断裂力学的观点来解析，就能得到较满意的回答。因为锅炉受压元件的安全不仅仅决定于材料的机械性能，而且还与材料的断裂韧性以及受压元件的外加负荷的受力方式、“原始裂纹”的形状尺寸等因素有关。如果外部应力继续增大，并受交变载荷的作用，填角焊缝应有可能被撕裂，一旦撕裂，又作为新的“裂源”向孔桥母材处和烟管管壁处扩展，最终导致孔桥母材的管壁的撕裂看来是没有疑义的了。

四. 外部应力分析

既然焊缝内侧开裂的危险是存在的，那么作用于该处的外部应力是如何产生的呢？简言之，它是外部各种应力叠加的结果。即：σ＝σ1＋σ2＋σ3＋……σn=∑σ

当σ≥σc时，裂纹扩展或材料失效。

1.填角焊缝处的扩展或材料失效

KZL型锅炉的烟管是直管，两端固定焊接在前后管板上，呈刚性连接。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，但是整根烟管是浸在水中的，由于水温的变化，烟管在长度方向上产生热应力，这个热应力当烟管受热伸长时为拉应力，冷却收缩时为压应力。这种拉一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，焊缝两端的拘束应力是剪应力。填角焊缝本身承受剪切变形的能力就很低，因此，角焊缝被撕裂的形式通常表现为被切断。

2.孔桥与烟管缝隙处的温差应力：

由于KZL 240-7/95-70锅炉锅内水容积大，水循环不论采取强制循环还是自然循环，锅内特别是前后管板附近的水速是很低的，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9200C）的快速冲刷，无损检测资源网放热激烈，孔桥与烟管之间的缝隙处的水可能产生局部汽化，形成水一汽二相流体。由于水蒸汽的导热性能很差，填角焊缝得不到冷却，传热恶化，当缝隙的蒸汽压力增大到一定程度之后，蒸汽向水域膨胀扩散，蒸汽被水冷却，锅水又进入缝隙冷却焊接内侧，（此种现象在锅炉传热中称之为“过冷沸腾”），产生很大的温差应力。如此反复作用，形成交替热应力循环，加速焊缝内侧的开裂。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，当水质处理不良时，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.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焊缝的内侧。

4.其他应力

管板内侧产生的局部膜应力，管孔缘也会产生的应力集中，加上管板平面的弯曲应力，以及一些机械应力等，合计为其他应力也会作用于焊缝内侧。

以上各种应力叠加的结果，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。当然，这些应力并不是同时起作用的。从应力的分类来看，这些应力多属于间接应力和峰值应力，一般不作直接计算。

五. 疲劳裂纹的扩展

焊缝一旦撕裂，它就作为新的裂源向孔桥母材纵深延伸，其机理是：由于热为锅炉多用于民用建筑采暖，锅炉的启动停炉比较频繁；加上锅炉升温降温快，因此温度梯度大，热应力也就很大。同时，如上所述，孔桥与烟管之间的缝隙的水不断“汽化一冷却一汽化”，（即“过冷沸腾”现象重复的发生）；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“升温一冷却一升温”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，直至开裂。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，这种现象就是所谓“先漏后裂”现象。KZL热水锅炉失效形式通常也是表现为“先漏后裂”，一旦漏水，就先给人们以警告，这也许是热水锅炉是很少发生突然脆断或爆炸的缘故吧。

仍以KZL240-7/95-70热水锅炉为例，求烟管口焊缝发生贯穿性裂纹后的应力循环次数。

已知：设初始裂纹Co=C=16mm，即管孔与烟管之间的缝隙度度。断裂后的裂纹尺寸C1=16+4=20mm，即初始裂纹扩展后使外侧填角焊缝全部裂开（此时裂缝开始出现漏水），由于焊缝受交变应力作用，设最大正应力为拉应力并等于初始开裂应力，即σmax=σc=231.4N/mm2(23.6kgf/mm2),而最小负应力并不都与正应力对称，设σmin＝-0.5σmax，则交变压力幅度△σ＝σ－σmin=1.5σc=347.1N/mm2(35.4kgf/mm2)，每经一次应力循环碳素钢的裂纹扩展速CN=2×10-10mm/N，材料常数m=3，管板为平板裂纹几何形状系数Y=1，试求疲劳裂纹扩展的循环次数N：

解：

将已知数代入，得：

假设该热水锅炉在各种疲劳因素的综合使用下，一昼夜发生10次应力循环，则疲劳裂纹的损伤寿命估计为：T=1069/10=107（天）

这个估计结果与该锅炉运行不到三个月就发现后管板漏水的事实很吻合。这也说明断裂力学对种锅炉后管板裂纹问题的评估是可信的。

一般认为应力循环次数在102－105范围内是属于高应力下的低周疲劳损伤。因此KZL热水锅炉后管板断裂漏水也是属于低周疲劳损伤，危害性较大，应该引起足够的重视。

六. 断裂失效原因分析及其他

从断裂力学的基本原理出发，裂纹的开裂和扩展是由原始裂纹受力而引发的，无损检测资源网由上述分析可知，KZL热水锅炉孔桥断裂失效的原因是由于锅炉内在应力引发的，也就是说是由锅炉自身结构不尽合理引起的。例如，烟管不论焊接还是胀接，都不可避免地存在与管壁之间的缝隙；烟管为直管，刚性连接，无伸缩余地；后管板受高温烟气直接冲刷，加上运行时启停频繁，在交变载荷下，引起裂纹的疲劳扩展，这些都是孔桥断裂失效的原因。至于锅内水循环方式与孔桥裂纹不会产生直接的关系，水质不良会产生水垢，它们都会对锅炉后管板孔桥断裂失效产生诱发因素。

正因为如此，新疆维吾尔自治区劳动人事厅1986年10月发出“关于KZL型热水锅炉处理意见的通知”指出：“多年来，KZL型热水锅炉在新疆大部分地区运行情况欠佳，损坏比例较高，严重地影响了人们的冬季采暖，并给国家财产造成损失。”通知要求区内各锅炉制造厂自1986年11月以后不得再生产KZL型锅炉。根据这一通知精神，我厂果断地淘汰了KZL型锅炉，并研制开发了SZL型系列的锅炉，以取代KZL型热水锅炉。下面仅将KZL锅炉与SZL锅炉在结构上作些简单的比较。