废热锅炉服役后筒体环焊缝处的断裂失效研究

何家胜 张贤超 陈文龙 谢 飞 陈 才

（武汉工程大学机电工程学院)

废热锅炉服役后筒体环焊缝处的断裂失效研究

何家胜*张贤超 陈文龙 谢 飞 陈 才

（武汉工程大学机电工程学院)

某氮肥公司合成氨系统的一台合成废热锅炉筒体环焊缝周围发生多处开裂。利用JB30B冲击试验机对废锅筒体环焊缝处材料的断裂韧性进行实验分析，同时结合断裂力学的基本理论对服役后废热锅炉筒体环焊缝处的开裂失效进行分析。结果表明：由于废锅焊缝区组织的晶界性能变差，使得材料的冲击韧性显著下降，抵抗裂纹扩展的能力降低，最终在机械应力、热应力及腐蚀环境的作用下，筒体环焊缝处发生多处晶间腐蚀开裂，从而导致筒体失效。

废热锅炉 晶界 冲击韧性 晶间腐蚀 裂纹 压力容器

某氮肥公司合成氨系统的一台合成废热锅炉（以下简称废锅）经检修投入使用4个月后，其筒体环焊缝内表面出现了多处垂直于焊缝方向的裂纹（如图1所示），更换筒体2个月后又出现了同样的情况。此废热锅炉的筒体材质为16MnR，壁厚为20 mm，直径为1 800 mm，长度为7 150 mm；废锅壳程设计温度为200°C，壳程介质为饱和过热水蒸气。

图1 废热锅炉焊缝位置

1 焊缝区与母材区的冲击韧性对比实验

冲击韧性与断裂韧性一样其实际意义在于揭示材料的变脆倾向，冲击韧性表示的是材料抵抗变形或断裂的能力，即抵抗裂纹扩展的能力，冲击韧性的高低是材料的韧性和脆性的衡量依据。

本次试验在JB30B冲击试验机上进行，满足国家标准 GB/T 18658《摆锤式冲击试验机检验用夏比V型缺口标准试样》中对试验机及测量工具的各项要求，如图2所示。

图2 摆锤式冲击试验机

表1 夏比V型缺口标准摆锤冲击试验试样尺寸

图3 试样的结构

图4 打断后的试样

图5 打断后的试样断口

目前，我国有关压力容器设计制造的法规和标准均规定，材料的冲击试样以夏比V型缺口、横向取样方式为主。冲击试样的缺口型式对材料的冲击韧性影响非常大，夏比V型缺口比夏比U型缺口更为尖锐，更能反映材料的缺口和内部缺陷对载荷的敏感性。冲击试样的取样方向规定为 “横向取样”，主要是考虑到在钢锭浇注时会形成偏析及含有杂质，在轧制钢板的过程中，这些不均匀部分和杂质会顺着金属延伸方向形成纤维状组织，从而使钢板平行于轧制方向的力学性能高于垂直方向的力学性能。

本试验选用夏比V型缺口试样，其尺寸如表1所示。试样的结构如图3所示。

分别从焊缝、热影响区和母材区三个区域 （标记为A、B、C）取样，每个区域取2个试样，分别标记为A1、 A2， B1、 B2， C1、 C2。

2 实验结果分析

(1)实验结果

经过摆锤的冲击试验后，试样形貌如图4、图5所示。

从宏观整体来看，焊缝区A材料的断口要比热影响区B和母材区C的断口更加平滑，试样A断口为结晶状，试样B和试样C断口为纤维状，结合断裂力学相关理论，显然试样A发生的是脆断，试样B和试样C为韧性断裂。各断口示意图如图6、图7、图8所示。

图6 试样A断口

图7 试样B断口

图8 试样C断口

由实验所测得的各试样冲击功数值如表2所示。

由于本文所探讨的是通过对比冲击韧性值来说明材料的韧脆转变，因此需要将冲击功换算为单位面积上的功,即冲击韧性ak。其换算公式为:

换算后的各试样冲击韧性值如表3所示。

表2 各试样的冲击功Ak

表3 各试样的冲击韧性ak

由表3的实验结果可以看出，焊缝区材料的冲击韧性要明显低于热影响区和母材区，即焊缝区材料抵抗裂纹扩展的能力下降，易发生脆断。

（2）断口微观检查及分析

对裂纹断口进行扫描电镜分析，如图9所示。

图9 裂纹断口处SEM电镜扫描照片

图9（a）为放大500倍后观察到的裂纹断口形貌，可以看出断口处有明显的晶间开裂现象。为了进一步观察这种情况，对此处形貌放大，得1 500倍的微区情况，如图9（b）所示，可以更为清晰地观察到这种晶间开裂现象。

（3）实验结果分析

通过对废锅焊缝区材料与母材区材料的冲击韧性对比试验研究，可知废锅焊缝区材料的冲击韧性要远小于母材区，结合断口分析和冲击韧性的值，可见焊缝区冲击韧性下降非常明显。由扫描电镜可以明显看到焊缝断裂区存在晶间开裂现象。通过化学成分能谱检验可知，晶间的P、S等元素严重超标，P、S等元素使晶界弱化，导致材料的冲击韧性值显著下降。

从微观上来看，金属材料并不是理想的连续介质，晶粒并不是想象中的那样结合得很紧密，所有的晶粒都是离散的个体，而晶界在这些个体中充当“粘合剂”的作用。从某种意义上说，晶界的性能好坏是材料发生韧性断裂或脆性断裂的关键。对该材料脆性断口的研究表明：其微观裂纹是沿晶界发展的，而这种现象通常是因为晶界上有第二相聚集，成分偏析，或存在晶间腐蚀、电化学腐蚀等因素，这些因素降低了晶界的结合力，从而导致了裂纹产生。

在该废热锅炉中，由于焊接的热影响，16MnR筒体在近焊缝区其材料组织的晶体产生了变形和再结晶。由于再结晶的作用，组织中的多个小晶粒聚集成尺寸较大的晶粒，同时晶界面的面积大为减少，而晶间间隙增加。由于晶界具有比晶粒更为疏松的原子结构，在焊接的热影响下，材料中的低熔点杂质和晶间气体迁移聚集到较大的晶间间隙中，而这些杂质的偏聚又增大了沿晶腐蚀和应力腐蚀的敏感性。该废锅裂纹起裂位置位于焊缝内表面，在此处起裂后进而沿壁厚方向向外扩展。由于废热锅炉在使用过程中流动的介质为水，裂纹源在硫化氢和水汽转换的复杂环境中发生了较为严重的电化学腐蚀，导致微裂纹形成，继而在机械应力、热应力及电化学腐蚀的共同作用下裂纹开始扩展长大。

3 讨论

（1）该废热锅炉在使用过程中由于流动介质中含有Si、Ca、Na、S、Al、K等杂质元素，使得裂纹源在硫化氢和水汽转换的复杂环境中发生了较为严重的电化学腐蚀，导致微裂纹形成。

（2）由废锅焊缝区材料与母材区材料的冲击韧性对比可知，废锅焊缝区材料的冲击韧性要远小于母材区，即焊缝区的冲击韧性下降非常明显。通过扫描电镜观察到焊缝区晶界有明显开裂现象。最后得出结论：由于焊缝区存在电化学腐蚀，致使该区域晶界发生腐蚀开裂，从而导致焊缝区材料断裂韧性明显下降，最终导致筒体的失效。

（3）实验数据及断口的相关扫描图片证实了下列判断：由于筒体焊缝处组织发生再结晶，使得该处晶界面面积减小并有大晶粒形成；焊缝区组织出现明显的杂质偏聚，导致沿晶腐蚀的敏感性增强；在筒体的焊缝内表面 （尤其是与筒体内部介质相接触的液面）处发生的严重电化学腐蚀使得该处组织的晶界性能变差，出现沿晶腐蚀，导致微裂纹沿晶界发展。

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Fracture Failure Analysis of Waste Heat Boiler's Body Circumferential Weld

He Jiasheng Zhang Xianchao Chen Wenlong Xie FeiChen Cai

A nitrogen fertilizer company's waste heat boiler for synthetic ammonia system possess multiple cracking around the weld ring.Using the impact testing machine JB30B to analyze the material's fracture toughness of waste heat boiler weld combining with the basic theory of fracture mechanics to analyze the weld cracking failure.The results show that as the grain boundaries of weld zone show deteriorate properties,the impact toughness of the material decrease significantly,the ability to resist crack propagation reduces,and ultimately,the cylinder ring welds occur multiple intergranular corrosion cracking under the action of mechanical stress,thermal stress and corrosive environment,and resulting in cylinder failure.

Waste heat boiler;Grain boundary;Impact toughness;Intergranular corrosion；Crack;Pressure vessel

TQ 054

*何家胜，男，1958年生，教授。武汉市，430074。

2011-10-19）