應(yīng)力集中造成焊縫開(kāi)裂甚至殼體分離的原因分析

熱風(fēng)爐爐殼在校對(duì)焊接過(guò)程中發(fā)生焊縫開(kāi)裂甚至殼體分離，主要原因是爐殼鋼板加工成型、校對(duì)過(guò)程中的積累誤差造成合攏錯(cuò)位。為了達(dá)到爐殼校對(duì)焊接技術(shù)要求的誤差范圍，需要矯正合攏，減小積累誤差。而矯正鋼板合攏產(chǎn)生的應(yīng)力和焊接過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)直接影響到爐殼焊縫的機(jī)械強(qiáng)度。

如果矯正合攏產(chǎn)生的應(yīng)力大于焊接過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力，焊縫就會(huì)產(chǎn)生裂紋，甚至?xí)购缚p開(kāi)裂、殼體分離。如果焊接過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力大于矯正合攏產(chǎn)生的應(yīng)力，應(yīng)進(jìn)行去應(yīng)力熱處理，否則可能會(huì)造成應(yīng)力疲勞產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂。特別是在爐殼燃燒室部位，爐殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，幾何形狀變化比較大，校對(duì)焊接難度大，是校對(duì)過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力和焊接過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力集中傾向最嚴(yán)重的部位，也是爐殼焊縫開(kāi)裂的重災(zāi)區(qū)。爐殼焊縫開(kāi)裂大部分發(fā)生在爐殼燃燒室部位。

分析認(rèn)為，在爐殼燃燒室部位的校對(duì)焊接過(guò)程中，由于積累誤差大，易造成圓環(huán)合攏處錯(cuò)位大，需要采取鋼釬撬動(dòng)或者用夾板與螺栓緊固撬動(dòng)等措施強(qiáng)行合攏。但此類措施會(huì)導(dǎo)致被撬動(dòng)鋼板的彎曲部位產(chǎn)生較大應(yīng)力。焊接前如果把鋼釬或者夾板和螺栓松開(kāi)，鋼板就會(huì)恢復(fù)到原位，應(yīng)力就會(huì)自動(dòng)消除。當(dāng)爐殼鋼板在外力作用下，強(qiáng)行合攏焊接后，彈性變形就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橛谰米冃?，鋼板的受力彎曲部位，就?huì)成為應(yīng)力集中的地方。

因此，在校對(duì)過(guò)程中，要盡量減少和避免爐殼撬動(dòng)合攏，以減少焊接過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力集中。撬動(dòng)合攏鋼板彎曲處產(chǎn)生的應(yīng)力集中與焊接加熱冷卻產(chǎn)生的應(yīng)力集中聯(lián)系在一起，就容易產(chǎn)生更為復(fù)雜的應(yīng)力集中，甚至產(chǎn)生焊接裂紋。當(dāng)彈性變形產(chǎn)生的應(yīng)力集中遠(yuǎn)大于焊接加熱冷卻產(chǎn)生的應(yīng)力集中時(shí)，外力撤出后，短期內(nèi)可能會(huì)產(chǎn)生巨響，形成較長(zhǎng)的裂紋，甚至?xí)斐晒绊斉c殼體分離。如果撬動(dòng)合攏處的焊接強(qiáng)度大于彎曲變形產(chǎn)生的應(yīng)力集中時(shí)，爐殼焊縫應(yīng)力集中依然存在，內(nèi)壁焊縫會(huì)出現(xiàn)兩種可能，一種是應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋，在熱風(fēng)爐運(yùn)行過(guò)程中，周期性壓力作用下，裂紋會(huì)越來(lái)越深、越來(lái)越長(zhǎng)；另一種是有應(yīng)力集中，但沒(méi)有產(chǎn)生裂紋，而沒(méi)有裂紋的應(yīng)力集中可通過(guò)消除應(yīng)力熱處理和人工時(shí)效減少和消除，以提高熱風(fēng)爐爐殼的使用壽命。

焊接缺陷造成爐殼焊縫開(kāi)裂的原因分析

焊接缺陷是指爐殼鋼板在焊接過(guò)程中，由于多種因素共同作用導(dǎo)致的缺陷，它是借助儀器設(shè)備才能檢測(cè)到的隱患，也是熱風(fēng)爐爐殼焊縫開(kāi)裂的重要因素。分析認(rèn)為：首先，爐殼在校對(duì)焊接過(guò)程中，焊接材料中的水分、焊件坡口的鐵銹、油污、環(huán)境濕度及焊接技術(shù)等，造成焊接過(guò)程產(chǎn)生氣孔、疏松、夾渣、焊縫裂紋和母材龜裂等焊接缺陷（圖1）；其次，爐殼在焊接加熱與冷卻過(guò)程中，在1150-1200℃溫度區(qū)間會(huì)產(chǎn)生熱脆現(xiàn)象，容易造成龜裂和氣孔等焊接缺陷；再者，熱風(fēng)爐爐殼鋼板材料選擇不當(dāng)，鋼板材料本身含氫量較高，在校對(duì)焊接過(guò)程中，焊縫產(chǎn)生的拘束應(yīng)力，經(jīng)過(guò)潛伏期，會(huì)產(chǎn)生白點(diǎn)和偏析，最終形成焊縫及焊縫熱影響區(qū)內(nèi)裂紋等焊接缺陷（圖2）。

NO_x腐蝕造成爐殼焊縫開(kāi)裂的原因分析

NO_x腐蝕，是指在熱風(fēng)爐運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱力型NO_x與氣流中的水分反應(yīng)生成的HNO₃，緩慢腐蝕焊縫裂紋造成的焊縫腐蝕開(kāi)裂現(xiàn)象。高爐熱風(fēng)爐運(yùn)行過(guò)程中，熱風(fēng)爐爐殼被氮氧化物腐蝕，是不可避免的問(wèn)題。因?yàn)闊犸L(fēng)爐燃燒氣流是由煤氣和空氣通過(guò)預(yù)混、燃燒、蓄熱等過(guò)程產(chǎn)生高溫，再通過(guò)高壓空氣，將高溫?zé)崃克腿敫郀t。在這個(gè)過(guò)程中，高溫氣體會(huì)產(chǎn)生NO_x。高溫氣體中的NO_x以NO為主，當(dāng)氣體溫度降低時(shí)，NO逐漸轉(zhuǎn)化為NO₂。由于煙氣中水蒸氣冷凝溫度較低，因此，在燃燒期很難生成液態(tài)水或者生成量很少。

在送風(fēng)期，熱風(fēng)中NO_x的平衡濃度約為燃燒期的4倍，并且熱風(fēng)中的水蒸氣更容易析出生成液態(tài)水。由于爐殼附近溫度較低，NO會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化為NO₂。當(dāng)爐殼溫度低于水蒸氣的冷凝溫度時(shí)，析出的液態(tài)水和NO₂反應(yīng)生成HNO₃。而HNO₃是一種既具有強(qiáng)氧化性，又具有強(qiáng)腐蝕性的無(wú)機(jī)酸，低濃度硝酸溶液對(duì)大多數(shù)金屬呈強(qiáng)烈的腐蝕作用。HNO₃將腐蝕爐殼應(yīng)力集中產(chǎn)生的裂紋、焊接缺陷產(chǎn)生的裂紋以及氫脆產(chǎn)生的裂紋，加快焊縫的開(kāi)裂速度，導(dǎo)致熱風(fēng)爐在短期運(yùn)行過(guò)程中，焊縫裂紋被腐蝕氧化穿透爐殼，直至被目擊到爐殼外表面的裂紋。

有資料顯示，應(yīng)力腐蝕斷裂與氫脆斷裂是同時(shí)發(fā)生分別進(jìn)行的，它們的脆性效應(yīng)是簡(jiǎn)單的疊加。因此，應(yīng)防止和減少受力構(gòu)件在應(yīng)力腐蝕與氫脆的雙重作用下發(fā)生脆性斷裂的危險(xiǎn)性。通過(guò)熱力型NO_x生成機(jī)理分析，以及各種抑制熱力型NO_x的燃燒技術(shù)和燃燒器的分析，認(rèn)為影響熱力型NO_x生成量的主要因素是局部高溫、過(guò)剰空氣量和高溫區(qū)停留時(shí)間。

1）熱風(fēng)爐運(yùn)行過(guò)程中主要產(chǎn)生熱力型NO_x。通過(guò)優(yōu)化燃燒器結(jié)構(gòu)，優(yōu)化預(yù)混燃燒工藝，控制過(guò)?？諝饬浚够旌先紵鹧嫘纬啥萄婊蛘邿o(wú)焰，可減少熱力型NO_x產(chǎn)生量。

2）爐殼在校對(duì)焊接過(guò)程中，焊接材料中的水分、焊件坡口的鐵銹、油污、環(huán)境濕度及焊接技術(shù)等，會(huì)造成焊接氣孔、疏松、夾渣、焊縫裂紋和母材龜裂等焊接缺陷。要選擇合適的焊接材料、創(chuàng)造合適的環(huán)境條件，編制合理的熱加工工藝，防止和減少焊接缺陷。

3）熱風(fēng)爐運(yùn)行過(guò)程中，焊接缺陷、應(yīng)力集中、腐蝕介質(zhì)腐蝕、周期性送風(fēng)壓力等問(wèn)題，集中表現(xiàn)在爐殼的某一個(gè)部位，同時(shí)爐殼的機(jī)械強(qiáng)度變差不能抵御送風(fēng)壓力對(duì)爐殼的作用力時(shí)，爐體有可能產(chǎn)生瞬間爆炸。

4）根據(jù)高爐爐容和壓力大小，熱風(fēng)爐爐殼需選擇合適原材料，如：壓力容器用鋼Q345R（HIC）可有效防止或減少焊縫及焊縫熱影響區(qū)母材裂紋，減輕龜裂裂縫腐蝕，避免事故發(fā)生。