350 MW超臨界直流鍋爐水冷壁焊接接頭開(kāi)裂行為分析

350MW超臨界直流鍋爐水冷壁焊接接頭開(kāi)裂行為分析一、前言350MW超臨界直流鍋爐是目前節(jié)能環(huán)保、效率高的鍋爐類(lèi)型，而水冷壁則是其核心構(gòu)件之一。水冷壁由眾多鋼管組成，并通過(guò)彎曲、焊接等工藝連接組成整體；整個(gè)系統(tǒng)外界又通過(guò)某些介質(zhì)傳遞能量，以滿足工業(yè)生產(chǎn)和生活需求。然而，隨著時(shí)間的推移，水冷壁的材料容易出現(xiàn)老化、疲勞等問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致接頭的開(kāi)裂，可能造成重大安全事故，加劇企業(yè)和人民的經(jīng)濟(jì)損失和生命財(cái)產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。為此，對(duì)于350MW超臨界直流鍋爐水冷壁焊接接頭的開(kāi)裂行為進(jìn)行深入研究顯得非常必要和迫切。二、水冷壁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)350MW超臨界直流鍋爐水冷壁是一種垂直的，內(nèi)外一體式的鍋爐表面冷卻器。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。水冷壁由數(shù)根鋼管彎曲、焊接組成，采用直流電源進(jìn)行氬弧焊接。圖1：350MW超臨界直流鍋爐水冷壁結(jié)構(gòu)示意圖水冷壁的主要材料是純碳素鋼，因其具有較好的耐熱性、抗腐蝕性、耐壓強(qiáng)度等性能。一般情況下，水冷壁的鋼管壁厚度一般在5~8mm之間，直徑大約在38~51mm之間。焊接是水冷壁鋼管之間連接的關(guān)鍵工藝之一，由于鋼材熱傳導(dǎo)性較差，每次焊接會(huì)導(dǎo)致鋼管強(qiáng)度下降1-1.5%;另外在氬弧焊接之后，可能存在未充分修復(fù)應(yīng)力的情況，也可能造成焊接接頭出現(xiàn)裂紋、開(kāi)裂等缺陷問(wèn)題，是常見(jiàn)的水冷壁問(wèn)題。下面著重對(duì)于水冷壁焊接接頭的開(kāi)裂行為進(jìn)行深入分析。三、水冷壁焊接接頭開(kāi)裂行為分析（一）焊接接頭溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)分析焊接是整個(gè)水冷壁制造的重要工藝之一，每次焊接會(huì)產(chǎn)生高溫高應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境，會(huì)對(duì)接頭的強(qiáng)度和耐久性造成影響。根據(jù)相關(guān)研究，鋼材的熱膨脹系數(shù)較大，尤其在焊接時(shí)，焊接頭立刻升高到700-1000°C的溫度，而此時(shí)焊接頭處的熱膨脹系數(shù)是較大的。同時(shí)，在高溫氛圍下，水冷壁的材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生不均勻的熱膨脹，從而形成內(nèi)應(yīng)力。但是，如果焊接頭充分冷卻后，由于水冷壁鋼管組成的強(qiáng)度比常溫時(shí)有所增強(qiáng)，同時(shí)內(nèi)部的構(gòu)件應(yīng)力也會(huì)自行恢復(fù)穩(wěn)定。（二）接頭的老化和疲勞現(xiàn)象在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于外部熱量等因素可能會(huì)加劇水冷壁結(jié)構(gòu)的老化和疲勞現(xiàn)象進(jìn)而導(dǎo)致接頭的脆性開(kāi)裂。鋼材的老化和疲勞性是由其內(nèi)部組織、硬度等多個(gè)因素決定的。結(jié)構(gòu)老化多是由于材料中的微孔、缺陷、裂紋、拉伸等因素所引起的材料物理性質(zhì)變化，進(jìn)而會(huì)對(duì)接頭的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，加劇可能出現(xiàn)裂紋、開(kāi)裂等疲勞現(xiàn)象。而疲勞則是指材料在反復(fù)受力的過(guò)程中，發(fā)生蠕變、裂紋等現(xiàn)象，其主要表現(xiàn)為接頭長(zhǎng)期在受力狀態(tài)下，材料內(nèi)部的微處理將隨之發(fā)生形變，進(jìn)而在一定條件下會(huì)引起接頭的開(kāi)裂。（三）接頭的開(kāi)裂機(jī)理接頭的開(kāi)裂機(jī)理是由內(nèi)部應(yīng)力、熱膨脹、水腐蝕、化學(xué)反應(yīng)等多種因素共同作用所產(chǎn)生的。其中，由于鋼材在表面處的鐵氧化物具有很強(qiáng)的氧化還原性，會(huì)增加內(nèi)應(yīng)力，是造成接頭開(kāi)裂的主因之一。另外，自然中的水腐蝕也極易加劇接頭開(kāi)裂的速度與程度，由于水冷壁結(jié)構(gòu)處于表面冷卻器狀態(tài)中，內(nèi)部的水處理也極易產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力增大，加劇接頭開(kāi)裂的可能性。四、解決水冷壁焊接接頭開(kāi)裂的措施對(duì)于水冷壁接頭開(kāi)裂的問(wèn)題，目前可以采取多種措施進(jìn)行解決，主要包括以下幾個(gè)方面：（一）鋼材修復(fù)處理鋼材修復(fù)工藝是目前常用的一種處理方法，通過(guò)熱噴涂、鍍鋅等多種情況下的涂布方式，以控制接頭的韌性及硬度，帶動(dòng)接頭內(nèi)部的應(yīng)力恢復(fù)和穩(wěn)定。通過(guò)鋼材修復(fù)，能夠較好的解決水冷壁接頭開(kāi)裂的問(wèn)題，同時(shí)也可以提高鋼材的使用壽命和耐久性。（二）增強(qiáng)鋼材熱處理鋼材熱處理現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較少，但是其對(duì)于加強(qiáng)鋼材內(nèi)部組織、提高韌性和耐久性有較為明顯的效果。在熱處理過(guò)程中，可以通過(guò)提高鋼材的韌性和耐受程度，從而達(dá)到控制接頭開(kāi)裂的目的。（三）防腐蝕措施在實(shí)際使用中，水冷壁接頭的老化和疲勞性非常容易受到外界化學(xué)因素的影響，因此，防腐蝕顯得非常必要。如采取化學(xué)涂層、注入多環(huán)氧樹(shù)脂等方式，均可起到一定的防止水冷壁接頭開(kāi)裂的作用。五、總結(jié)350MW超臨界直流鍋爐水冷壁焊接接頭開(kāi)裂