不锈钢换热管安装过程中常见焊接缺陷有哪些

 咬边（也称咬肉）是指因焊接参数选择不当或焊工操作工艺不正确而引起母材在焊趾处形成的沟槽或凹陷。焊接电流太大，焊速过低，焊工对运条方式、焊条角度和电孤长度控制不当等均会引起焊缝咬边。咬边不仅会减弱焊接接头的静载强度，而且还会引起应力集中，在咬边的两种形态下，沟槽比凹陷危害更大。据有关资料介绍，咬边引起应力集中系数为1.6～3.0。为此，原劳动人事部1987年颁发的《蒸汽锅炉安全技术监察规程》对焊缝咬边作了严格控制：锅筒和集箱纵、环焊缝及封头（不锈钢换热管板）的拼缝无咬边，其余焊缝咬边尝试不超过0.5mm。缺陷评定时，咬边缺陷被视为平面状缺陷，与表面裂纹等同。尽管如此，在锅炉检验时经常可以发现严重的焊缝咬边缺陷，特别是角板撑与管板之间角焊缝，不锈钢换热管与锅壳之间角焊缝，咬边深度往往可达2mm，甚至更严重。下列实例是对咬边导致锅炉前管板开裂失效的初浅分析。

一、锅炉概况

 该锅炉为KZG1-8型卧式快装锅炉，1980年6月制造，1982年6月安装投用。每天启停炉3次，使用最大蒸汽压力0.68MPa,运行期间压力波动较大。检验情况该炉于1990年7月之前前部右上侧就开台冒汽。内部检查发现前不锈钢换热管板与左角板撑角焊缝在右边管板侧焊趾处存在一条裂纹。打磨后作着色控伤检查，发现裂纹沿角焊缝焊趾分布，且已扩展到角焊缝的上部。裂纹连续且无分板，长度为200mm左右，如图所示。将前不锈钢换热管板外侧内部角板撑角焊缝对应位置保温材料拆除，打磨后着色控伤表明，裂纹已穿透管板，裂缝长度为90mm，如图所示。不锈钢换热管板外侧裂纹边缘粗糙，具有较明显的剪切唇。左边角板撑与前管板之间角焊缝在管板侧几乎100%连续咬边，咬边深度为1.0～2.5mm，其中A外〔见图2（a）〕咬边深度最大2.5mm。咬边呈沟槽状，咬边沟槽根部恰好就是焊缝焊趾位置，即裂纹也沿沟槽根部分布。左边角板撑附近不锈钢换热管板无过热和变形等异常情况；水侧面结垢1.0mm。上部烟管水侧面结垢1～2mm。

二、裂纹分析

 裂纹位于角焊趾处。但由于不锈钢换热管板和角板撑材质的20g钢，具有优良的焊接性能，裂纹在制造下产生的可能性不大，裂纹可能在使用下形成。

 1. 受力分析

  锅炉运行时，在蒸汽压力作用下，角板撑与不锈钢换热管板角焊缝受到角板撑所拉管板面积上载荷引起的拉应力和剪应力；同时应因管板呈向外弯曲变形趋势，必然在管板及角焊缝上产生弯曲应力，而且角板撑作为防止管板变形的刚性约束支撑，其角焊缝及周围不锈钢换热管板金属所受弯曲应力比附近管板金属更大些。锅筒上部烟管结垢1-2mm，烟管壁明显升高，增大了烟管与上部锅壳之间的温差，烟管与上部锅壳受热膨胀的不一致使管板受到一个附加弯曲载荷，角板撑与管板之间焊缝在焊接时由于受热不均，变形不一致，焊后在焊缝及时附近管板上形成焊接残余应力。

 2. 应力集中分析

 承受弯曲载荷丁字接头角焊缝在焊趾R处的应力集中系数可按下式计算，将上述数据代入公式计算，可得左边角板撑与前管板之间角焊缝在焊趾处应力集中系数Kt1=1.92。咬边引起的应力集中系数Kt1=1.6-3.0，所以左边角板撑趾处总应力集中系数Kt=Kt1•Kt2=3.1-5.8，可见该处应力集中已非常严重。

 3. 裂纹形成及扩展

 至德钢业通过上述分析，角板撑角焊缝承受的应力非常复杂，包括拉应力、剪应力、弯曲应力、附加弯曲应力和焊接残余应力。随着锅炉的频繁启动停及运行压力的波动，这些应力（除焊接残余应都将作周期性变化；而角焊缝在焊趾处应力集中系数Kt非常大，这些应力叠加后峰值应力将远远2倍材料比例极限，故锅炉经一定时间运行，即应力循环资料达到一定值N后，首先在角焊缝咬边最严重的焊趾A处萌发疲劳裂纹，咬边成为裂纹源。对N值可作初步估算：该炉已使用8年时间，实际每年使用10个月，假设应为循环次数为每天10次，则应力循环总次数N=8×10×30×10=24000次，所以裂纹为低周疲劳裂纹。裂纹形成后，由于角板撑对管板接近固支约束，角焊缝焊趾处管板承受的弯曲应力分布为内侧受拉，外侧受压，这就利于裂纹沿管板厚度方向发展；在交变弯侧曲应力作用下，裂纹沿管板厚度方方向扩展越深，因而管板外侧裂纹边缘粗糙，可见明显剪切唇，同时，裂纹两端咬边严重，应力集中系数很大，在交变复杂应力作用下，裂纹也要沿咬边根部向两侧延伸。角焊缝咬边根部主是焊缝熔合区，裂纹形成及扩展是否与熔合区性能有关呢？熔合区经焊接热循环作用后，金相组织和力学性能都发生很大变化，特别是塑性和韧性明显下降。有关资料表明：低碳钢焊接接头热影响区金相组织和机械性能变化对其疲劳强度影响不大。综上所述，咬边缺陷是疲劳裂纹的形成及扩展的根本原因。

三、预防措施

 从上述安全分析，咬边缺陷的存在大大降低锅炉元件不锈钢换热管的疲劳强度。

 1. 对新制造锅炉产品，驻厂监检员要从严监督，咬边超标的锅炉，应作必要的打磨或补焊后方可出厂。

 2. 对于在役锅炉，检验员不能因锅炉使用时间长不出问题而忽视对咬边处的检查，因咬边导致的疲劳裂纹正是要经过一定使用时间后才能形成及扩展。停炉内外部检验时，检验员要认真仔细检查不锈钢换热管与钢板焊缝咬边处有无裂纹。若咬边处结水垢，应将水垢彻底清除。必要时可采取表面控伤方法检查。对于咬边严重超标，难以保证安全运行的（尤其是启停频繁、运行压力波动大的锅炉），坚决要求打磨或补焊后运行，以确保锅炉安全运行。