1、DZL型工业锅炉材质失效原因分析科技信息 0本刊重稿 0 SCIENCETECHNOLOGY INFORMATION 2008年 第 12期 DZL型工业锅炉材质失效原因分析 王德 山 f齐齐哈尔职业学院 黑龙江 齐齐哈尔 161005) 【摘 要 l通过对 DZL型工业锅炉管板孔桥裂纹失效分析得出：结构设计上的不合理是导致工业锅炉管板裂纹的主要原因，该研究为维扩 工业锅炉的正常生产、使用、检验检测、监督管理等工作提供了技术支持。【关键词 lDZL型工业锅炉；失效；分析 长期以来从事工业锅炉研发的学者专家们都将烟管的焊接和锅 内强制循环作为主要研究对象，采取了一系列锅炉材质预防失效措 施。如将
2、平管板设为凸形封头型、加设引流管等。但在锅炉生产运行中 仍然会发生变形、断裂、渗漏等问题，可见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，还与其他因素有关。全国在役工 业锅炉中DZL 锅炉所占比例数较大，DZL 型工业锅炉运行使用中，管 板孔桥发生漏水断裂现象已经不是新问题了，许多事实表明，各种构 件的断裂与综合受力有关。 一、裂纹的发生 哈尔滨铁路局在 1981 至 2006 年使用的的多台 DZL型工业锅 炉，安装后使用最短的不到 4个月，如 2004原绥化机务段新安的一台 齐齐哈尔铁路锅炉厂生产的 DZL42 一 1O，95 锅炉出现管板渗漏，使用 较长的是哈南生活小区一号
3、锅炉房的同样型号锅炉当使用 7个月后 同样发生了管板裂纹渗漏停炉事故。停炉检查发现上述停炉事故的锅 炉都是管板高温段孔桥有多处断裂，裂纹开口较细，长度较短，有部分 塑性变形裂缝中夹杂有烟灰、水垢和腐蚀物质等。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，取样显微观察，发现孔桥裂纹附近基本 组织是板条状珠光体和铁素体，晶粒较粗大；离裂纹 lO 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： 化学元素分析和机械性能试验 取样 化学成分() 力学性能 位置 及相 盯 s O;b 8 Kv 冷弯
4、 关参 8C si Mn S P (MP (MP () (J d=2a 数 a1 a) cm 孔桥 裂纹 附近 O17 O22 043 OOl7 OOlO 245 395 325 lO5 合格 取样 原母 材 】(20 O18 O23 043 0018 OOll 32 455 29 l1 合格 g) 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。 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。在修理时发现管板高温段内侧管束群中积有 48毫米厚的水 垢。 二、裂纹产生过程 (一)弹塑性断
5、裂力学分析 按照强度要求，制作锅炉的材料应是均匀连续和没有缺陷的，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： s= lnsec(等) 式中：8 一裂纹开张位移(COD)，mm；C 一裂纹长度之半(或贯穿于 8 全厚度或近于全厚度的裂纹)，mm； 一钢材屈服强度，NmmzCMP)； E一
6、弹性模量，Nmm2； 一裂纹所在处的应力，Nmm(MPa) 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，裂纹张开位移也增大，当裂纹张开位移达到某临界值 叮 e时，裂 纹即开始扩展，此 值称为“I 临界张开位移” ，它仅与材料性质有关。 判定的准则是：当 时，裂纹扩展或材料失效。为叙述的方便，现 以上述 DZL24079570 工业锅炉为例进行分析，其工作压力 P= 0686Ncm (7MPa)，内径 D=180Omm，管板材料 为 20g，屈服强度 叮 l= 3136Nmm (32MPa)，板厚 S=I6mmE=206xl0Nmm(21xl0kgfmm)， 烟管与管板连接方
7、式为外侧填角焊，焊脚高度为 4mm。 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， =32MPa时，其材料断裂韧性值即临界张开位移 oc-0114 0147mm，平均断裂韧性值 =O136mm。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 Oc=0136ram。如前所述。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 ： rr
8、 l r ， E8 、1 叮c -COSEXP(一丽才 J l 式中：M 一鼓胀效应修正系数对于平板取 M=1 取 =240Nram2(24。532MPa)，C=16mm，代人上式，得： c0s EXP(一;rrx206x!：xO1361 1_2314Nmm qrX1 【 、 8x240xl6 J 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 ： 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
9、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。 (二)外部应力 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：O-O;， 2+ -? 产叮 当 时，裂纹扩展或材料失效。 1填角焊缝处的扩展或材料失效 DZL型锅炉的烟管是直管，两端固定焊接在前管板上，呈刚性连 接。钢管热胀冷缩，相对伸长得不到
10、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孑 L桥与烟管缝隙处的温差应力 由于 DZL24079570 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，锅内特别是前管板附近的水速是很低的，出现水 维普资讯 /.cqvip4 科技倍息 O本刊重稿。 SCIENCE TECHN
11、OLOGY INFORMATION 28 年第 12 期DZL 型王业锅炉材质失效原因分析王德山(齐齐哈尔职业学院黑龙江 齐齐哈尔 161005) 搞 要 l通过对 DZL 型工业锅炉管板孔桥裂纹失效分析得出:结构设计上的不合理是导致工业锅炉管板裂纹的主要原因，该研究为维护工业锅炉的正常生产、使用、检验检测、监督管理等工作提供了技术支持。关键词 DZL 型工业锅炉;失效;分析长期以来从事工业锅炉研发的学者专家们都将烟管的焊接和锅内强制循环作为主要研究对象，采取了一系列锅炉材质预防失效措施，如将平管板设为凸形封头型、加设引流管等。但在锅炉生产运行中仍然会发生变形、断裂、渗漏等问题，可见孔桥的断裂
12、不仅仅与烟管的连接方式和锅内水的循环方式有关，还与其他因素有关。全国在役工业锅炉中，DZL 锅炉所占比例数较大，DZL 型工业锅炉运行使用中，管板孔桥发生漏水断裂现象已经不是新问题了，许多事实表明，各种构件的断裂与综合受力有关。一、裂纹的发生哈尔滨铁路局在 1981 至 26 年使用的的多台 DZL 型工业锅炉，安装后使用最短的不到 4 个月，如 24 原绥化机务段新安的一台齐齐哈尔铁路锅炉厂生产的 DZIA.2- 1.0/95 锅炉出现管板渗漏，使用较长的是哈南生活小区一号锅炉房的同样型号锅炉当使用 7 个月后同样发生了管板裂纹渗漏停炉事故。停炉检查发现上述停炉事故的锅炉都是管板高温段孔桥有
13、多处断裂，裂纹开口较细，长度较短，有部分塑性变形，裂缝中夹杂有烟灰、水垢和腐蚀物质等。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，虽二维开裂，烟管端部有局部过烧痕迹，取样显微观察，发现礼桥裂纹附近基本组织是板条状珠光体和铁素体，品粒较粗大;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:化学元素分析和机械性能试验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，塑性土升，而冲击韧性和冷弯工艺性能没有改变。该锅炉的迸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
14、现管板高温段内侧管束群中积有 4-8 毫米厚的水垢。二、裂纹产生过程(一)弹塑性断裂力学分析按照强度要求，制作锅炉的材料应是均匀连续和没有缺陷的，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:8=守 1c(; ) 式中 :8一裂纹开张位移(COD) ， mm ， C 裂纹长度之半(或贯穿于s 全厚度
15、或近于全厚度的裂纹)，mm;吼一钢材屈服强度 ，N/mm(MPa) ; E一弹性模量 ，N/mm 飞 一裂纹所在处的应力 ， N/mm 制 Pa)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，裂纹张开位移也增大，当裂纹张开位移达到某临界值矶时，裂纹即开始扩展，此 c 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 二三矶时，裂纹扩展或材料失效。为叙述的方便，现以上述 DZL240 一 7/95 一 70 工业锅炉为例进行分析，其工作压力 P=0.686N/cm(7MPa) ，内径 D=180 伽 nm，管板材料为 20 悟，屈服强度饥 2313刷 Imm(32MPa)
16、 ，板厚 S=16m皿， E=20.6xWN伽m(2.1xl伊 kgflmm) ，烟管与管板连接方式为外侧填角焊，焊脚高度为 4mmo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，当板厚如16mm ， a军工 32MPa 时，其材料断裂韧性值即临界张开位移 c=0.114 一0.147mm，平均断裂韧性值 ，=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，取焊缝的矶=0.136mm。如前所述，管板孔桥的断裂首先是由填角焊缝的被撕裂而引起的
17、，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:2fT 叩门 I lTE8 门F 二二COS I EXPI 一一一IIcM l 8C I J 式中 :M 一鼓胀效应修正系数，对于平板取 M=1取 F，=240N/mm(24.532MPa) , C= 16mm, ft入上式，得工 产生当旦 cos- r EXP _ lTXm.6x104x0.136il=2314N/mEI12 节 xl 飞 8x240x16 I J 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 :， ;S ， ，叭可见，填角焊缝内侧开裂处的应力场仍处于弹性范围内。
18、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。(二)外部应力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。即叮叮，+，+，+n 立工 当 王三矶时，裂纹
19、扩展或材料失效。1.填角焊缝处的扩展或材料失效DZL 型锅炉的烟管是直管，两端固定焊接在前管板上，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 DZL240-7/95-70 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
20、，锅内特别是前管板附近的水速是很低的，出现水科技信息 0 本刊重稿 0 2008年 第 12 期 流的“停滞区” ，而管板烟气第一回程人口处受到高温烟气(高于 920o C)的快速冲刷 ，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 工业锅炉系统的循环水量比对应的蒸汽锅炉进水量
21、要大得多当水质 处理不良时锅筒内壁特别是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。 (三)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。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
22、直接计算。 (四)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：由于热水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
23、所谓“先漏后 裂”现象。DZL 工业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，这也是工业锅炉很少发生突然脆断或爆炸的 原因。 以 DZIA2195 工业锅炉为例 ，计算分析烟管口焊缝发生贯穿性 裂纹后应力循环次数。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C=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 盯一= = 23l_4Nmm2(236MPa)。而最小负应力并不都与正应力对称 ，设 一 05一，则交变压力幅度盯=盯一
24、Om=15o=3471Nmm2(354MPa)，每经 一 次应力循环碳素钢的裂纹扩展速 C =2x10一mmN，材料常数 m=3， 管板为平板裂纹几何形状系数 Y=I，试求疲劳裂纹扩展的循环次数 = 一 代人相关数据得 ： 1 f 1 1 3-x2xlO , IT 芋)2o(孚 J=加 ( (1354、 ) 【16 2O (次 ) 该工业锅炉在各种疲劳因素的综合使用下，一昼夜发生 1O 次应 力循环，则疲劳裂纹的损伤寿命估计为：T=106910=107(天) 这个计算结 果与该锅炉运行 不到 4 个月就 发现管板漏水 的事实 相吻合。这也说明断裂力学对工业锅炉管板裂纹问题的分析的科学 性。 一
25、 般认为应力循环次数在 1021 o5 范围内是属于高应力下的低周 疲劳损伤。因此 DZL 工业锅炉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。 三、裂纹失效原因分析 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，由上述分析可知，DZL 工业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 ；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
26、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 它们都会对锅炉管板孔桥断裂失效产生 诱发因素。 DZL锅炉与 SZL锅炉结构比较表 DZL锅炉 szL 锅炉 管内介质、管子作用 烟管和水管 全部水管 管子形状 烟管为直管、水管为弯管 全部弯管 管子连接方式 焊接 焊接 管子受热情况 烟管受高温烟气冲刷 水管受锅水冷却 烟管刚性连接，不能自由伸 弹性连接，能自由伸缩， 管子两端受力情况 缩 ，应力大 应力小 管子连接焊缝受力 焊缝工作条件荷刻焊缝内侧 焊缝工作条件平稳，焊 承受压力，焊缝根部应力大且 缝根部应力小 ，不会成 情况 集中，有可能成为裂纹源 为裂纹源 锅筒置于烟道，不受
27、幅 锅筒受热情况 锅筒置于炉膛，受幅射传热 射传热，仅受对流传热 管板受热情况 受高温烟气冲刷，对流传热 锅内水循环方式 强制循环与自然循环 强制循环与自然循环 四、结论 因为 DZL型工业锅炉裂纹渗漏的频发性本文仅做了对其管板 裂纹的分析，其锅壳(锅筒)高温区部分的变形和裂纹渗漏等占工业锅 炉发生事故的相当比例，为此 1991 年规程关于“管板裂纹及锅壳鼓 包等问题”提出：“锅炉制造单位采取措施加以解决。否则存在这些问 题的锅炉，不得继续制造。 ”但是由于相关制造或使用单位不理会规 程要求，继续生产和订购使用上述型号锅炉，造成因管板或锅壳缺陷 导致多起锅炉停炉事故。为减少企业损失建议有关部门
28、以后不得再生 产或订购使用上述 DZL 型锅炉开发 SZL 型系列的锅炉以取代 DZL 型工业锅炉。 进行工业锅炉管板裂纹的分析以提高相关部门对 DZL 型工业 锅炉存在系列问题的充分重视，这对于特种设备中的在用锅炉 DZL 型锅炉占近 14 比例的哈尔滨铁路局而言不仅拥有锅炉设计 、制造、 安装 ，而且使用处所众多分散，如何在向 SHL 型工业锅炉过渡期内， 对 DZL 型锅炉进行技术改造，采取可行的、必要的技术措施，减少在 用的 DZL型锅炉的管板及锅壳(锅筒)变形、裂纹等缺陷，杜绝锅炉事 故的发生，保证 DZL 型工业锅炉的安全运行 ，已迫在眉睫、势在必行。 据不完全统计全国有在用的仅
29、DZL 型热水锅炉数量超过 3 万 台总容量在 25 万兆瓦以上因此进行 DZL 型工业锅炉的管板孔桥 裂纹失效分析不仅对哈尔滨铁路局特种设备工作的开展，乃至于对 全国工业锅炉的生产(设计、制造、安装、改造、维修)、使用、检验检测、监督管理等工作具有极其重要意义。 【参考文献】 1司乃钧，许德珠主编金属工艺学M北京：高等教育出版社2001 2王纪安主编工程材料与材料成型工艺M北京：高等教育出版社2000 3王英杰，金升主编金属材料及热处理M北京：机械工业出版社2006 作者简介：王德山，1966 年 2月生，男，副教授、高级工程师，硕士研究生齐 齐哈 尔职业学院机电工程系教师，从事教学和科研工
30、作，曾在国家和省部级科 技期刊上发表论文 20余篇。 该文为黑龙江省教育厅 2007 年高职院校科学技术研究项目计 划，编号：11525108。 【责任编辑：韩铭 9 维普资讯 /.cqvip 科技锚息 O;$:干 Ij重稿。 SCIENCE TECHNOLOGY INFORMATION 28 年第 12 期流的;停滞区而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，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
31、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。值得指出的是工业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。(三)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。管板内侧产生的局部膜应力，管孔缘也会产生的应力集中，加上管板平丽的弯曲应力，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
32、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。(囚)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:由于热水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
33、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。 DZL 工业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，这也是工业锅炉很少发生突然脆断或爆炸的原因。以 DZlA.2- 1I95 工业锅炉为例，计算分析烟管口焊缝发生贯穿性裂纹后应力循环次数。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 C，=16+4=2 臼 nm，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
34、应力并等于初始开裂应力，即 皿=0=23 1.4N/mm23.6MPa)，而最小负应力并不都与正应力对称，设 min=-0.5 血则交变压力幅度 !:，. CI=-CI=1.5CIo=347.1N/mm气 35 .4MPa) ，每经一次应力循环碳素锅的裂纹扩展速 CN=2xl 飞 m刑，材料常数 m=3 ，管板为平板裂纹几何形状系数 Y=I ，试求疲劳裂纹扩展的循环次数N:N mlJ平) c:(孚) I (m-2)Cn(Y !:;CI?看了 r l Co 4 , 4 J 代入相关数据得:N=- 、 x! 与 1.)与主) ! =1069 -2)x2xlO 飞(lx35 .4x?看了 f l 1
35、6 4 20 4 J (次)该工业锅炉在各种疲劳因素的综合使用下，一昼夜发生 10 次应为循环，则疲劳裂纹的损伤寿命估计为:T= 1069/10= 107 (夭)这个计算结果与该锅炉运行不到 4 个月就发现管板漏水的事实相吻合。这也说明断裂力学对工业锅炉管板裂纹问题的分析的科学性。一般认为应力循环次数在 1 伊-10范围内是属于高应力下的低周疲劳损伤。因此 DZL 工业锅炉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。三、裂纹失效原因分析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，由上述分析可知，DZL 工业锅炉孔桥断裂失效的原因是由于锅炉内在应力引
36、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;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，它们都会对锅炉管板孔桥断裂失效产生诱发因素。DZL 锅炉与 SZL 锅炉结构比较表DZL 锅炉 SZL 锅炉管内介质、管子作用 烟管和水管 全部水管管子形状 烟管为直管、水管为弯管 全部弯管管子连接方式 焊接 焊接管子受热情况 烟管受高温烟气冲刷 水管受锅水冷却管子两端受力情况 烟管
37、刚性连接，不能自由伸 弹性连接，能自由伸缩，缩，应力大 应力小管子连接焊缝受力 焊缝工作条件荷刻，焊缝内侧 焊缝工作条件平稳，焊情况 承受压力，焊缝根部应力大旦 缝根部应力小，不会成集中，有可能成为裂纹源 为裂纹源锅筒受热情况 锅筒置于炉膛，受幅射传热 锅筒置于烟道，不受幅射传热，仅受对流传热管板受热情况 受高温烟气冲刷，对流传热锅内水循环方式 强制循环与自然循环 强制循环与自然循环四、结论因为 DZL 型工业锅炉裂纹渗漏的频发性，本文仅做了对其管板裂纹的分析，其锅壳(锅筒)高温区部分的变形和裂纹渗漏等占工业锅炉发生事故的相当比例，为此 1991 年规程关于;管板裂纹及锅壳鼓包等问题;提出锅炉
38、制造单位采取措施加以解决，否则存在这些问题的锅炉，不得继续制造。;但是由于相关制造或使用单位不理会规程要求，继续生产和订购使用上述型号锅炉，造成因管板或锅壳缺陷导致多起锅炉停炉事故。为减少企业损失建议有关部门以后不得再生产或订购使用上述 DZL 型锅炉，开发 SZL 型系列的锅炉，以取代 DZL型工业锅炉。进行工业锅炉管板裂纹的分析，以提高相关部门对 DZL 型工业锅炉存在系列问题的充分重视，这对于特种设备中的在用锅炉 DZL型锅炉占近 114 比例的哈尔滨铁路局而言，不仅拥有锅炉设计、制造、安装，而且使用处所众多分散，如何在向 SHL 型工业锅炉过渡期内，对 DZL 型锅炉进行技术改造，采取
39、可行的、必要的技术措施，减少在用的 DZL 型锅炉的管板及锅壳(锅筒)变形、裂纹等缺陷，杜绝锅炉事故的发生，保证 DZL 型工业锅炉的安全运行，已迫在眉睫、势在必行。据不完全统计全国有在用的仅 DZL 型热水锅炉数量超过 3 万台，总容量在 25 万兆瓦以上，因此进行 DZL 型工业锅炉的管板孔桥裂纹失效分析，不仅对哈尔滨铁路局特种设备工作的开展，乃至于对全国工业锅炉的生产(设计、制造、安装、改造、维修)、使用、检验检测、监督管理等工作具有极其重要意义。 e? 参考文献1)司乃钩，许德珠主编.金属工艺学 M).北京 2 高等教育出版社 21.2)王纪安主编.工程材料与材料成型工艺M).北京:高等教育出版社 Z仪lO.3)王英杰，金升主编金属材料及热处理M)北京 2 机械工业出版社 2创兑作者简介 z王德山， 1966 年 2 月生，男，副教授、高级工程师，硕士研究生.齐齐哈尔职业学院机电工程草教师，从事教学和科研工作，曾在国家和省部级科技期刊上发表论文 20 余篇。该文为黑龙江省教育厅 2007 年离职院校科学技术研究项目计划，编号: 11525108。责任编辑:韩铭9 一一一一一一
