锅炉炉胆顶板边处失效分析

王万树 关鹏涛 陆 坚 高文辉 陈赵亮

（宁波市特种设备检验研究院 宁波 315000）

工业锅炉是企业生产主要动力设备，其中燃煤锅炉在工业锅炉中占有较大比例。20g是工业锅炉常用钢板材料，与20碳钢性能基本相同，其在450℃以下具有足够的强度，530℃以下具有满意的抗氧化性能，相对于20碳钢，20g增加对冲击韧性、应变时效冲击值和冷弯的要求，屈服比略高，并要求有一定的抗疲劳和抗腐蚀性能，满足GB 713—1997[1]要求，2008年以后标准将20g改为Q245R[2-3]。由于使用年限较长、使用环境较差等因素，燃煤锅炉在检验过程中发现诸多问题。本文针对某工厂立式燃煤锅炉在使用过程中发现的问题，分别采用ANSYS软件对锅炉失效处的不同使用工况进行模拟以及金相分析，研究Q245R钢在使用过程中应力分布与材质变化情况，得出炉胆顶板边处失效的原因，为锅炉检验以及失效分析提供经验，并为完善锅壳锅炉设计制造标准提出一些建议。

1 锅炉使用参数

锅炉型号：LHC0.8-0.7-AⅡ，工作压力0.7MPa，工作温度168℃，已投入使用9年，在停炉检验时发现炉胆顶板边圆弧处存在裂纹，裂纹位置如图1所示，黑色箭头指示位置，图2为渗透检测[4]发现裂纹宏观形貌，裂纹是环向的，一般有多条平行裂纹，主裂纹比较粗，初步判断为起槽。该锅炉材质为Q245R，化学成分见表1，材料属性见表2。

表2 Q245R材料属性

图1 立式燃煤锅炉示意图

图2 裂纹宏观形貌

2 工况模拟分析

根据以上Q245R材料属性描述，采用ANSYS 14.5分析软件对缺陷部位（炉胆顶板边处）进行模拟分析，常温下，弹性模量取2.1×105MPa，泊松比取0.3，根据结构尺寸建立几何模型，选用Plane183单元，由于炉胆顶属于轴对称结构，各个截面受力状态一致，所以其几何模型可简化为二维平面结构，几何模型与网格划分如图3所示。

图3 几何模型与网格划分

炉胆顶主要承受水侧的蒸汽压力以及煤燃烧产生高温烟气作用。在锅炉正常工作时煤燃烧时所产生的烟气在炉胆顶处温度可达250℃，相应的弹性模量ET=1.74×105MPa，然而，在干烧状态下，炉胆壁温可达500℃以上，取金相报告提供的温度525℃，查得相应金属的弹性模量ET=0.75×105MPa[5]。

2.1 正常工况下分析

取水侧壁温：170℃，烟气侧壁温：250℃，在250℃下Q245R钢弹性模量ET=1.74×105MPa，炉胆顶在只受水侧蒸汽压力时，计算结果如图4所示，明显可以看出，在折边处水侧产生应力最大，提取最大值为67.4MPa。根据以上条件进行热应力分析，计算结果如图5所示，在折边圆弧处同样存在较大热应力，提取圆弧处热应力最大的节点，应力值达到1020MPa。比较温度和蒸汽载荷产生的应力，可以明显看出：温度载荷应力远高于蒸汽载荷应力，且温度载荷应力是蒸汽载荷应力的15倍。如图6所示，温度和蒸汽压力共同作用时炉胆顶的应力分布云图，可以看出，与热应力相比变化较小，与蒸汽压力的相比有很大增加，可以看出：高温应力是炉胆顶板边失效的主要因素之一。

图4 蒸汽压力云图

图5 热应力云图

图6 温度和蒸汽压力共同作用时应力分布云图

在失效部位选择一路径（见图4），提取路径上节点的应力，观察沿同一路径，不同工况下应力的变化情况，如图7、图8所示，同样可以看出温度产生的应力远大于蒸汽压力产生的应力。不同的工况都有一个相同的变化趋势，即应力沿着路径呈现先降低后增加的变化，结合炉胆顶板边的变形情况，可以判断出，先降低一侧应为拉伸应力，增加一侧应为压缩应力，且拉伸应力、压缩应力的最大值均处在炉胆顶两侧的表面位置，由此推断，在不考虑材料内部缺陷情况下，在两侧表面处的失效的可能性比较大。

图7 蒸汽压力作用下沿路径应力变化

图8 不同工况下沿路径方向应力变化

2.2 干烧工况下分析

锅炉干烧是锅炉在使用过程未能及时补充水，导致水位过低，使得锅炉长时间处于干烧状态，这种现象在一些中小企业经常出现。长时间干烧，由于得不到有效的冷却，炉胆壁温迅速升高，炉胆壁温可达500℃以上，对钢材产生很大影响，此时金属Q245R的弹性模量ET=0.75×105MPa。根据干烧工况条件下，由于水位比较低，产生的蒸汽比较少，相对压力也就比较低，分析此工况时，不计蒸汽压力。此时，分析得到炉胆顶的热应力分布云图，如图9所示。可以看出：烟侧应力水平与正常工况下相比，未发生太大变化，但是水侧应力水平反而比正常工况时的有所降低，这是由于缺水情况下，水侧未能及时得到降温，使得水侧温度升高，在高温条件下，材料的高温应力松弛[6]。

图9 干烧条件下炉胆顶热应力分布云图

3 金相分析

在炉胆顶板边起槽失效部位取样，采用线切割的方法，取沿壁厚方向的界面作为观察面，试样，以180、320、400、500、600、800、1000、1500号砂纸进行粗磨，再用金相砂纸精磨。之后采用抛光机对试样进行抛光，以去除研磨造成的划痕。采用4%硝酸酒精溶液对抛光面进行侵蚀，随即清洗、烘干[7-8]。

Q245R在常温下金相组织为块状铁素体和细片状珠光体。珠光体是铁素体与渗碳体的机械混合物，球化过程是珠光体中碳化物分散、聚集、成球过程。随着时间的推移，珠光体中分散的碳化物变成球状物，片层状的珠光体逐渐消失，然后小的球状物会慢慢变大，片层状珠光体明显消失，最终变成球化组织[9]，珠光体球化使得材料的力学性能下降。如图10所示，珠光体球化过程示意图[10]。

图10 珠光体球化过程示意图

如图11所示，分别为100倍、200倍、500倍金相图，白色块状为铁素体，黑色片状为珠光体。由图可以看出：Q245R金相组织包含块状铁素体、珠光体以及球化体，珠光体有部分碳化物已分散，且在铁素体区域中有部分球形碳化物，但是珠光体形态尚明显，符合轻度球化的组织特征，根据《火电厂用20号钢珠光体球化评级标准》可以判定Q245R的珠光体球化程度为轻度球化，球化级别为3级。由此说明Q245R钢已开始劣化。

图11 Q245R金相组织

通过以上模拟分析以及金相分析，得出炉胆顶板边圆弧处的使用过程中失效原因，然而如图12所示，该锅炉炉胆顶板边圆弧处存在明显的环向褶皱，这是由于炉胆顶在冲压加工过程中产生的。环向褶皱区域成为应力集中区域，再加上使用过程中高温应力以及材质劣化的作用，最终导致应力集中部位起槽失效。GB/T 16508.4—2013《锅壳锅炉》[11]仅4.4.5.8规定：封头、管板、下脚圈直边部分不应存在纵向褶皱。对于环向褶皱未作规定，因此建议增加规定：在封头直边过渡部分在加工制造过程中不应存在环向褶皱。

图12 炉胆顶板边圆弧处宏观形貌

4 结论

1）通过对锅炉炉胆顶板边处失效分析，并采用ANSYS软件对不同工况进行模拟，得到以下结论：在失效部位，温度载荷应力远高于蒸汽载荷应力，干烧工况下，烟侧应力水平与正常工况下相比，未发生太大变化，但是水侧应力水平反而比正常工况时的有所降低。

2）通过金相分析发现：珠光体有部分碳化物已分散，并逐渐向晶界扩散，并且有部分分布在铁素体区域中，说明该材料已发生轻度球化。

3）综上所述，环向褶皱、高温应力和材质劣化是炉胆顶板边起槽失效的主要原因。因此建议GB/T 16508.4—2013《锅壳锅炉》增加规定：在封头直边过渡部分在加工制造过程中不应存在环向褶皱。锅炉在使用过程中应加强日常管理，避免出现缺水干烧情况。

[1] GB 713—1997 锅炉用钢板[S].

[2] GB 713—2014 锅炉压力容器用钢板[S].

[3] 周石芸.浅谈Q245R钢板[J].江苏锅炉， 2013 (03)：8-10.

[4] NB/T 47013.5—2015 承压设备无损检测 第5部分：渗透检测[S].

[5] 余普洲，官伟.一起立式锅炉炉胆失稳事故的分析与思考[J].中国高新技术企业，2013(18)：150-151.[6] 金尧，魏楠.金属高温应力松弛行为研究[J].机械强度，1997(03)：57-60.

[7] DL/T 674—1999 火电厂用20号钢珠光体球化评级标准[S].

[8] GB/T 13298—2015 金属显微组织检验方法[S].

[9] 徐鹏，艾志斌.20钢珠光体球化对材质损伤程度的试验研究[J].压力容器，2003(12)：12-14.

[10] 蔡勤，丁磊.焦炭塔塔体物性研究与塔体变形机理分析[J].中国特种设备安全，2009，25(02)：12-15.

[11] GB/T 16508.4—2013 锅壳锅炉[S].