分汽缸开裂及失效分析与对策

分汽缸基本参数：规格型号：Φ700×10×300mm  材质：Q345R  设计压力：1.5Mpa设计温度：285℃  制造日期：2014 年06月  工作压力：0.6Mpa
1.1 理化检验
该分汽缸焊缝有两纵、三环。两次开裂漏汽部位均在右侧纵缝下部。漏汽时裂缝已完全贯穿分气缸筒体筒体病向上延伸至焊缝。检查发现，在右侧纵缝内表面的附近区域，有明显的水位波动痕迹和水垢并有被腐蚀痕迹；对所有环、纵焊缝进行渗透探伤发现：除已明确发现的贯穿性裂纹，仅在右侧纵缝内表面两侧热影响区发现有8 处、长度分别在10-20毫米的裂纹；裂纹主要集中于热影响区，方向与焊缝多数垂直、且部分有分叉，部分裂纹已延伸至焊缝内；开裂部位没有明显的宏观变形及可见的塑性变形，断口处没有残余变形。所有这些符合脆性开裂和应力腐蚀开裂特征。板材截面裂纹宏观特征：裂纹曲折有分叉，形貌呈“之”字状，高度符合应力腐蚀裂纹的特征。对该试样裂纹处磨制、抛光、浸蚀后进行显微检测科发现：开裂区仍保留着原板材带状组织结构特征。其微观形貌所示：主裂纹旁有较明显的分叉，断裂区附近没有明显的塑性变形，裂纹较深、宽度较窄，裂纹延伸方向与分汽缸轴向拉应力方向垂直，符合应力腐蚀开裂特征。
1.2 分汽缸内壁附着物分析
对分汽缸内壁各处附着物进行有代表性的取样分析。结果显示该附着物明显呈碱性，且含有较高的氯化物成分，属应力腐蚀敏感性介质。
1.3 筒体母材化学成份分析
对筒体母材取样进行成份分析，其分析结果见表1，筒体钢板材料符合GB6654 - 1996 规定的16MnR 的成份范围。
2 开裂部位应力腐蚀可能性分析
经了解，该企业按照生产需要进行有规律地、间断性地供汽，锅炉每天启停3 次，因此分汽缸压力会随之产生周期性的变化，从而导致分汽缸各部位产生周期性的应力变化；其次，分汽缸筒体组焊过程中，当焊接参数调节欠妥时，容易在焊缝及其热影响区产生焊接残余应力，形成局部的应力集中；第三，筒体焊接时，由于焊接工艺、焊接条件等各方面的原因，有可能在焊缝、熔合线、热影响区等各部分产生金属组织的微观缺陷，成为承压部件日后出现裂纹的扩展源。由分汽缸解剖后的宏观检查可知，分汽缸右侧纵缝内表面经常浸泡于呈碱性的氯化物溶液中，因而该纵缝内表面及其热影响区金属组织在有微观缺陷的地方，加上周期性的应力变化，具备了应力腐蚀产生的条件。
3 开裂成因分析
通过分汽缸解剖检查和上述分析可知，该分汽缸右侧纵缝出现开裂的主要原因是由交变应力、金属微观组织缺陷和敏感性腐蚀性介质浸泡引起的。当锅炉供汽负
荷周期性变化时，分汽缸各承压部位会随之产生周期性的应力变化，则金属组织微观缺陷的部位会相应产生较高的应力场，并且有可能在某些微观组织缺陷的产生较高的应力集中。当应力集中到一定程度时，该缺陷表面原生成的钝化膜会随之破裂，缺陷表面金属就暴露在周围环境介质中；在周围环境介质是材料的应力腐蚀敏感性介质时，无钝化膜保护的微观缺陷表面金属则会通过阳极过
程被腐蚀，使原有缺陷尺寸扩大；而扩大了的缺陷在相同使用条件下会产生大的应力集中，其金属的阳极化过程会加强烈，产生进一步的开裂；对于缺陷侧边的表面金属，应力集中程度相对较低，且在整个应力腐蚀过程中会有附着物产生，基本上不再遭受进一步的浸蚀。照此循环往复，使得分汽缸上原来存在的某些微观组织缺陷萌生为微观裂纹、宏观裂纹，终导致开裂失效。
4 结语
针对上述分析，锅炉分汽缸在设计、制造、安装及使用时考虑采取如下措施：
4.1 设计时应避免纵缝布置在分气缸下部，以免焊缝及热影响区等容易带有金属组织缺陷的部位在凝结水的浸泡下成为应力腐蚀开裂的扩展源。
4.2 分制造时，应采取合理的制造工艺、选择合理的焊接参数，同时要防止焊接残余应力和金属组织微观缺陷形成。
4.3 搞好锅炉给水、炉水化验，确保锅炉用水符合标准要求；防止炉内出现汽水共腾，避免蒸汽大量带水而到账的分汽缸内积水、积垢、有效容积的减少甚至分气缸的堵塞。
4.4 锅炉应考虑加装汽水分离器，避免高水位运行，防止满水事故或汽水分离不彻底而使得分汽缸积水、积垢危害分气缸乃至锅炉的正常运行。
4.5 分汽缸应考虑安装自动疏水阀，以防人工疏水的不稳定性而造成长时间的分汽缸缸体内积水。
4.6 分汽缸、蒸汽管道应做好保温，以免不必要的散热造成的蒸汽凝结成水。
4.7 分汽缸在使用的过程中应减少压力的周期性波动，确应工矿条件所限，应通过工艺设计降低压力波动的速度、幅度、频率，或者通过提高设计压力，选用高标号材质、提高壁厚来提高分气缸的应变能力。