造紙蒸球開裂原因分析

寧 洪（玉林市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所 玉林 537000）

造紙蒸球開裂原因分析

寧 洪
（玉林市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所 玉林 537000）

本文對(duì)堿法造紙蒸球貫穿性裂紋進(jìn)行了分析，并結(jié)合工作實(shí)際指出裂紋產(chǎn)生的原因，主要是焊接工藝控制不嚴(yán)、焊工責(zé)任心不強(qiáng)、熱處理方式處理不當(dāng)且在使用過程中隨著堿濃度的增加，蒸球存在較大的腐蝕及較大的復(fù)合應(yīng)力。針對(duì)缺陷，筆者在設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、使用方面給出合理建議。

造紙蒸球 裂紋 原因分析

2012年10月，筆者單位對(duì)采用堿法造紙的某紙廠6臺(tái)在用蒸球進(jìn)行定期檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)6臺(tái)蒸球球殼極板內(nèi)壁與傳動(dòng)端長(zhǎng)軸頭對(duì)接角接接頭均有不同程度的貫穿性裂紋，現(xiàn)將其中一臺(tái)的檢驗(yàn)情況分析如下：

1 案例概況

1.1 蒸球參數(shù)（見表1）

表1 蒸球參數(shù)

1.2 檢驗(yàn)方法

根據(jù)《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》全面檢驗(yàn)的要求，采取了宏觀檢查、壁厚測(cè)定、無(wú)損檢測(cè)方法。

以內(nèi)表面100%磁粉檢測(cè)為主，對(duì)存在缺陷或者可疑部位進(jìn)行射線或超聲波檢測(cè)抽查。

1.3 存在問題

內(nèi)表面磁粉檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：傳動(dòng)端長(zhǎng)軸頭與極板球殼對(duì)接角焊縫發(fā)現(xiàn)兩條分別長(zhǎng)200mm、50mm的貫穿性裂紋如圖1所示，在打磨裂紋過程中，發(fā)現(xiàn)伴有未焊透，夾渣等焊接缺陷。

圖1 球殼與軸頭連接焊縫、柳釘邊緣裂紋示意圖

2 開裂原因分析

2.1 制造不當(dāng)

1)焊接工藝控制不嚴(yán)。從打磨情況看，該焊縫坡口形式（單邊V形坡口）和尺寸均不符合要求，單面焊破口開得太淺，鈍邊太厚，坡口間隙過小，焊接質(zhì)量難以保證。

2)由于該處焊縫厚度大（對(duì)接焊縫厚度+補(bǔ)板厚度）和結(jié)構(gòu)的原因，設(shè)計(jì)文件只要求做磁粉或滲透檢測(cè)，施焊過程中如果焊工責(zé)任心不強(qiáng)，不按規(guī)范操作，清根不凈，焊層間清渣不夠，熔池?cái)噭?dòng)不均勻，可能會(huì)導(dǎo)致熔渣在熔池凝固之前來(lái)不及浮出，就極容易出現(xiàn)夾渣，形成焊接殘余應(yīng)力。

3)熱處理的影響。由于蒸球在制造、加工、焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，因此，焊接以后應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力的退火處理。經(jīng)查，該紙廠的6臺(tái)蒸球出廠資料，均未發(fā)現(xiàn)熱處理報(bào)告。由于蒸球體積大，運(yùn)輸不便，制造廠都采用現(xiàn)場(chǎng)組焊的方式進(jìn)行。由于受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，安裝過程中難免使用強(qiáng)力組裝，制造完成后也無(wú)法對(duì)蒸球進(jìn)行整體熱處理。因此，蒸球的殘余應(yīng)力無(wú)法消除。

2.2 應(yīng)力腐蝕

1)根據(jù)HG/T 20581-2011《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》，使用NaOH溶液的限制條件中提到：碳鋼和低合金鋼焊制容器在NaOH、濕H2S、液氨等介質(zhì)中使用時(shí)，如焊后或冷加工后不進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，則在NaOH溶液中的使用溫度不得大于表1所列的溫度。

附1 NaOH溶液的使用溫度上限 %

NaOH溶液/(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)) 2 3 5 10 15 20 30 40 50溫度上限/℃82 82 82 81 76 71 59 53 47

但是，該紙廠球罐使用NaOH溶液的濃度高達(dá)19%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕的5%，操作溫度為174℃(＞71℃)。因此，該臺(tái)蒸球具備應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)因素。

2)雖然碳鋼在低溫稀堿中具有良好的耐蝕性，但是一旦NaOH溶液的濃度高于5%時(shí)，碳鋼就有發(fā)生應(yīng)力腐蝕的可能性，并且隨著堿濃度的增加，蒸球存在較大焊接殘余應(yīng)力的情況下，碳鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕的傾向越大，最終在腐蝕和應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生裂紋。

2.3 復(fù)合應(yīng)力

1)由于蒸球自重較大，再加上物料的重量，蒸球在旋轉(zhuǎn)過程中殼體將承受較大的彎矩和較大的啟動(dòng)扭矩。

2)來(lái)自蒸球內(nèi)壓力和拉應(yīng)力。

3)造紙蒸球是一種間歇性操作，壓力溫度循環(huán)變化，壓力升降較頻繁，特別是卸料時(shí)需利用球內(nèi)壓力使物料噴出，短時(shí)壓降很大，這就構(gòu)成了低周交變復(fù)合應(yīng)力運(yùn)行工況。

因此，在上述這些復(fù)合應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下，裂紋就很容易在應(yīng)力集中和焊接缺陷處萌生并發(fā)展。

3 應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)以上的分析，提出以下幾點(diǎn)應(yīng)對(duì)措施：

3.1 設(shè)計(jì)

蒸球設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該優(yōu)化結(jié)構(gòu)，減少結(jié)構(gòu)突變；考慮增加消除應(yīng)力熱處理要求，可采用球形儲(chǔ)罐的內(nèi)燃法熱處理工藝進(jìn)行整體熱處理；考慮在內(nèi)壁噴涂致密的金屬粉末層或非金屬涂料，使金屬表面和NaOH腐蝕介質(zhì)隔開，避免直接接觸，杜絕應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。

3.2 制造

1）提高蒸球的制造質(zhì)量。制造時(shí)盡可能保證球殼板的壓制質(zhì)量和球片的幾何尺寸，在組裝過程中，應(yīng)該嚴(yán)格控制組裝工藝，采用合理的焊接順序，保證焊縫能自由收縮的余量，嚴(yán)禁強(qiáng)力組裝。

2）嚴(yán)格控制焊接工藝，保證焊接質(zhì)量。開出合格的焊接坡口，選擇合理的焊接工藝，焊前預(yù)熱，焊接過程每層錘擊除渣，對(duì)焊縫采用分段退火，多層焊時(shí)使用每段錘擊的方法，焊后保溫緩冷等工藝消除焊接殘余應(yīng)力。

3.3 檢驗(yàn)

增加無(wú)損檢測(cè)比例，縮短檢驗(yàn)周期。檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)特別注意檢查縱環(huán)焊縫及熱影響區(qū)，補(bǔ)焊焊縫及熱影響區(qū)，球殼極板與軸頭之間的連接焊縫，加料口加強(qiáng)圈和防滑板兩側(cè)角焊縫和母材；對(duì)球殼內(nèi)拼接焊縫和補(bǔ)焊焊縫及兩側(cè)100mm范圍內(nèi)進(jìn)行100%磁粉檢測(cè)和射線或超聲波檢測(cè)抽查，對(duì)角焊縫進(jìn)行100%滲透檢測(cè)，對(duì)球殼極板與軸頭連接焊縫進(jìn)行100%磁粉檢測(cè)和100%超聲波檢測(cè)。

3.4 使用

制訂嚴(yán)格的工藝操作規(guī)程。使用中，應(yīng)嚴(yán)格控制NaOH溶液的濃度或蒸球的使用溫度。建議加裝溫度自動(dòng)控制儀，限制加熱蒸汽量，將物料溫度控制在不發(fā)生應(yīng)力腐蝕的范圍內(nèi)。

3.5 改造

建議在長(zhǎng)軸頭與球殼極板之間加焊一塊加強(qiáng)板，以分散球體旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)長(zhǎng)軸頭與球殼極板的連接焊縫的彎矩和啟動(dòng)扭矩，降低和消除殘余應(yīng)力。改進(jìn)后的傳動(dòng)端長(zhǎng)軸頭與球殼極板的連接結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

圖2 球殼與軸頭鏈接內(nèi)接加強(qiáng)板示意圖

1 TSG R7001-2004壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則.

2 HG/T 20581-2011鋼制化工容器材料選用規(guī)定.

3 劉展、宋應(yīng)龍壓力管道焊接，學(xué)苑出版社，2002.

The Cause Analysis on Cracking Rotary Spherical Digester

This paper on alkali papermaking spherical digester penetrating cracks are analyzed, and combined with the actual work points out the reasons of the cracks,mainly poor control of welding process, welding is not strong sense of responsibility, heat treatment processing and the improper in the use of the process with the increase of concentration of alkali,steaming ball there is greater and greater corrosion composite stress. Aiming at the defects of the author, reasonable suggestions in design, manufacturing, inspection, use are given.

Rotary spherical Digester crack Cause analysis

X924.3

：A

1673－257X(2014)10－66－03

10.3969/j.issn.1673-257X.2014.10.017

寧洪(1964～),男,工程師,主要研究方向?yàn)樘胤N設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)。

2014－05－12）