鮑旭銘

（寧波市特種設(shè)備檢驗研究院，浙江 寧波 315048）

探討內(nèi)燃式鍋爐受壓元件低周疲勞破壞

鮑旭銘

（寧波市特種設(shè)備檢驗研究院，浙江 寧波 315048）

本文主要對內(nèi)燃式鍋爐受壓元件的低周疲勞破壞的特點進(jìn)行分析，明確受壓元件的低周疲勞破壞是鍋爐局部出現(xiàn)裂縫導(dǎo)致泄漏問題的主要原因，并提出一些避免低周疲勞破壞的工藝方法來促進(jìn)鍋爐的安全穩(wěn)定運行。

鍋爐；受壓元件；低周疲勞破壞；工藝方法

內(nèi)燃式鍋爐受壓元件低周疲勞破壞是鍋爐運行中的一個重要問題，一旦出現(xiàn)失效情況會嚴(yán)重影響鍋爐的安全運行，甚至?xí)霈F(xiàn)鍋爐泄漏或爆炸的情況而危及人身財產(chǎn)安全，在此種情況下，加大力度對工業(yè)鍋爐受壓元件低周疲勞破壞進(jìn)行研究和分析，并為工業(yè)鍋爐設(shè)計和制造過程提供科學(xué)化的理論依據(jù)，以確保鍋爐的安全穩(wěn)定運行，促進(jìn)其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的提升。

1.內(nèi)燃式鍋爐受壓元件產(chǎn)生裂紋的常見部位

根據(jù)鍋爐定期檢驗情況，對近幾年來內(nèi)燃式鍋爐受壓元件產(chǎn)生裂紋的原因進(jìn)行分析和研究后，可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)燃式鍋爐受壓元件由于低周疲勞破壞產(chǎn)生裂紋的常見部位主要有：

（1）集中于爐膽與前管板填角焊縫部位，呈現(xiàn)放射狀，且具有一定的穿透性。

（2）回燃室內(nèi)前管板孔橋與管端處也比較容易出現(xiàn)裂縫。

（3）拉撐圓鋼自身局部受到鍋爐運行過程中多種因素的作用也會出現(xiàn)不同程度的斷裂情況。

2.內(nèi)燃式鍋爐受壓元件低周疲勞的原因

2.1 裂紋的產(chǎn)生原因

以強度計算書為主要依據(jù)進(jìn)行查算和復(fù)驗后，可以發(fā)現(xiàn)所取得管板、錐形爐膽以及拉撐圓鋼等鍋爐受壓元件的實際厚度與直徑均能夠與鍋爐受壓元件的強度計算標(biāo)準(zhǔn)保持一致，并且具有一定的裕度。此種情況表明，鍋爐受壓元件的理論計算強度與其實際強度能夠保持協(xié)調(diào)一致，在鍋爐投入運行1～3年后，裂紋逐漸產(chǎn)生，在對裂紋進(jìn)行系統(tǒng)化分析后，可以確定低周疲勞破壞是鍋爐受壓元件出現(xiàn)裂紋的最主要原因。

在壓力作用穩(wěn)定的情況下，鍋爐運行過程中，其受壓元件局部存在一定的應(yīng)力集中情況，并且受壓元件的局部處于比較明顯的塑性調(diào)整狀態(tài)，并不會對鍋爐受壓元件的實際強度造成影響。那么在鍋爐的實際運行過程中，若處于交變的壓力作用下，應(yīng)力集中部位極易出現(xiàn)疲勞裂紋，并且隨著使用時間的延長，疲勞裂紋會逐漸擴展，最終導(dǎo)致受壓元件出現(xiàn)失效。

2.2 應(yīng)力分析

就工業(yè)鍋爐運行的實際情況來看，其受壓元件的受力主要來自于介質(zhì)壓力、溫度應(yīng)力以及工藝應(yīng)力等。

（1）介質(zhì)壓力，受壓元件所受到的應(yīng)力主要分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力以及峰值應(yīng)力。那么一次應(yīng)力主要以彎曲應(yīng)力為表現(xiàn)形式，二次應(yīng)力是在介質(zhì)壓力條件下所產(chǎn)生的一種間接應(yīng)力，主要出現(xiàn)于結(jié)合特性不同的銜接部位，目的是為了更好地滿足變形連續(xù)條件，以促進(jìn)鍋爐受壓元件的實際應(yīng)用價值的有效發(fā)揮。就實際情況來看，二次應(yīng)力主要在局部發(fā)生，因此也稱作局部彎曲應(yīng)力。

（2）溫度應(yīng)力，是在鍋爐正常運行條件下所產(chǎn)生的一種熱應(yīng)力，與鍋爐受壓元件的溫差之間存在著密切的聯(lián)系，其該熱應(yīng)力具有比較明顯的穩(wěn)定性，尤其是變工況條件下，鍋爐受壓元件主要是由受壓元件壁的溫差出現(xiàn)變動后，所導(dǎo)致熱應(yīng)力的定期變化，從而導(dǎo)致交變熱應(yīng)力的出現(xiàn)。與此同時，在受壓元件壁溫波動的情況下，其個別部位也會出現(xiàn)頻率較大的交變熱應(yīng)力。

（3）工藝熱應(yīng)力則相對比較簡單，主要包括焊接殘余應(yīng)力以及組對裝配殘余應(yīng)力等?？偟膩碇v，鍋爐受壓元件失效部位大多集中于一次應(yīng)力、二次應(yīng)力、峰值應(yīng)力以及工藝應(yīng)力之和等應(yīng)力場，對鍋爐的實際運行情況產(chǎn)生不同程度的影響。

2.3 低周疲勞強度計算比較

當(dāng)前我國低周疲勞強度計算方法主要以粗估法和分析法為主，仍有待加以補充和完善。其中，粗估法即低周疲勞設(shè)計曲線法，能夠?qū)Φ椭芷趶姸冗M(jìn)行簡單的計算比較。而分析法是裂紋生長過程分析法的簡稱，能夠?qū)λ治龅牟课贿M(jìn)行科學(xué)合理的低周疲勞強度計算。低周疲勞設(shè)計曲線如圖1所示，在對圖1進(jìn)行觀察分析的基礎(chǔ)上，可以發(fā)現(xiàn)以應(yīng)力變化周數(shù)為主要因素，能夠?qū)﹀仩t受壓元件的實際允許應(yīng)力幅度值進(jìn)行明確，具有一定的合理性。

通過研究分析可知，鍋爐受壓元件的應(yīng)力幅值較大，在膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力以及峰值應(yīng)力等的應(yīng)力分量中，僅僅峰值應(yīng)力能夠具有明顯的增大趨勢，也就是說，應(yīng)當(dāng)以最大剪應(yīng)力理論為主要依據(jù)，來進(jìn)行精準(zhǔn)可靠地計算，以促進(jìn)當(dāng)量應(yīng)力的提升，進(jìn)而在最大程度上降低周疲勞循環(huán)周數(shù)，對局部失效的可能性進(jìn)行有效地控制。

3.內(nèi)燃式鍋爐受壓元件由于低周疲勞產(chǎn)生裂紋的常見部位峰值應(yīng)力的具體分析及解決措施

3.1 爐膽與前管板連接的填角焊縫

此處的峰值應(yīng)力主要表現(xiàn)在幾何形狀突變導(dǎo)致的應(yīng)力集中，特別是當(dāng)錐型爐膽無直邊段時尤為突出，另外，護(hù)膽與管板連接處有復(fù)雜的熱應(yīng)力場，也是峰值應(yīng)力過高的原因之一。

顯而易見，最大可能地改變此處的幾何形狀，是解決此問題的根本，如錐壁爐膽加直邊段等，一般將填角焊縫改為管板扳邊處與爐膽連接的對接焊縫，就可以從根本上解決這個問題。

3.2 回燃室內(nèi)前管板孔橋

此處的峰值應(yīng)力主要表現(xiàn)在熱應(yīng)力，由于煙管與管孔之間的間隙，導(dǎo)致發(fā)生過冷沸騰現(xiàn)象，直接產(chǎn)生了交變的熱應(yīng)力。對于由塑性材料制成的受壓元件，熱應(yīng)力不會使元件失效，而周期變動的熱應(yīng)力則影響較大，即使是塑性材料，如熱應(yīng)力引起周期變動的塑性變形，則元件可能產(chǎn)生低周疲勞破壞。

最大可能地消除煙管與管孔的間隙，是降低峰值應(yīng)力的關(guān)鍵所在，為此，采用對此高溫區(qū)的煙管進(jìn)行焊前預(yù)脹消除間隙的方法。焊后機加工管端伸出焊縫部分，嚴(yán)格焊接規(guī)范，減小焊接殘余應(yīng)力，可有效地防止此處產(chǎn)生低周疲勞破壞。

3.3 拉撐圓鋼與管板連接處

此處的峰值應(yīng)力主要來源于焊接殘余應(yīng)力，熱應(yīng)力和應(yīng)力集中。為了保證圓鋼與管板全焊透，必須開單面坡口，圓鋼與管板的形狀差別為了保證變形連續(xù)即產(chǎn)生了較高焊接殘余應(yīng)力。

在鍋爐實際運行過程中，為了更好地解決受壓元件低周疲勞破壞問題，研究人員應(yīng)當(dāng)立足于理論條件的基礎(chǔ)上，從焊縫坡口形狀以及焊接規(guī)范入手，嚴(yán)格遵照鍋爐受壓元件的相關(guān)工藝參數(shù)來進(jìn)行操作，最大程度地對受壓元件的產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行控制，并通過以下措施來進(jìn)行有效地解決。做好焊接之前的預(yù)熱工作，減小焊縫區(qū)域與其周圍部分的溫差，以確保其焊接應(yīng)力與鍋爐受壓元件的實際需求保持高度一致。待焊接完成后，應(yīng)當(dāng)及時回火，以適度減小焊接應(yīng)力。與此同時，機械拉伸也不失為一種有效地降低焊接應(yīng)力的方式。

3.4 斜拉桿

就鍋爐實際運行情況來看，斜拉桿斷裂的情況也時有發(fā)生，會導(dǎo)致裂紋不斷擴展，從而影響鍋爐安全運行。原材料中存在著多元化形態(tài)的微觀裂紋，分布于原材料的表面和內(nèi)部，大部分不會對受壓元件的強度造成影響。但是，一旦存在能夠引起交變荷載作用下的擴展裂紋時，鍋爐運行就存在一定的危險性。那么在實際加工制造過程中，應(yīng)當(dāng)積極改善斜拉桿的加工工藝，尤其是在煨制的過程中，應(yīng)當(dāng)將煨彎部位的裂紋隱患進(jìn)行及時有效地控制和處理，以免出現(xiàn)低周疲勞破壞的情況而影響鍋爐的安全運行。

結(jié)語

就宏觀層面來看，工業(yè)鍋爐受壓元件低周疲勞破壞會對鍋爐的運行造成嚴(yán)重的影響，在制約其經(jīng)濟(jì)效益的同時，也給人民群眾的生命財產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重的威脅，在此種情況下，加強鍋爐受壓元件低周疲勞破壞的研究和分析，具有重要的現(xiàn)實意義。相關(guān)研究人員應(yīng)當(dāng)加大力度對低周疲勞破壞進(jìn)行理論研究，并積極完善其解決措施，推進(jìn)鍋爐制造技術(shù)的發(fā)展，確保鍋爐的安全穩(wěn)定運行，推進(jìn)社會的長足發(fā)展。

［1］陳曉錕，李啟平，郭新良.利用絡(luò)合劑提高碳鋼耐蝕性的應(yīng)用［J］.云南電力技術(shù)，2015（6）：3.

［2］桑清蓮.鍋爐用Super304H鋼的腐蝕性能研究［J］.鑄造技術(shù)，2016（2）：19.

［3］崔菁.鍋爐壓力容器鋼板韌脆在溫度變化中的轉(zhuǎn)變［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2016（7）：63.

［4］俞林江，殷凱斯.基于GB/T16507標(biāo)準(zhǔn)的ASME材料許用應(yīng)力轉(zhuǎn)換規(guī)則探討［J］.工業(yè)鍋爐，2015（5）：38.

TK225

A