造纸蒸煮锅裂纹的产生、修复和防治

摘 要：蒸煮锅是造纸行业广泛使用的蒸煮木片的制浆设备，在使用中内环焊缝出现裂纹，多数裂纹呈纵向断续分布在焊缝上，且每次返修后，使用一段时间又出现裂纹。本文对该裂纹产生的成因进行分析，制定合理的焊接返修工艺，提出防范措施，有效地避免了焊缝裂纹的再次产生。

关键词：容器；裂纹；修复；防治

1 引言

我公司现有蒸煮锅6台，其中2台蒸煮锅内称不锈刚，锅体尺寸￠3250mm×30mm×12000mm，材质为20K，工作压力位0.8Mpa，工作温度为175℃，生产流酸盐本色浆，都用木片作造纸制浆的原料，蒸煮的药液为白液（成份为：NaOH.Na2S.Na2SO4.Na2SO3.Na2CO3）。

煮一锅须4.5小时，每台蒸煮锅一天产量为5锅，反复升压降压。且其介质是先酸性在转为碱性。自1988年11月，蒸煮锅初次定期检验中发现2台材质为20#钢的蒸煮锅的内表面焊缝区周围产生大量浅表面裂纹和一条几乎已贯穿筒的裂纹，而后在定期检验中陆续发现蒸煮锅的内表面焊缝区周围有浅表面裂纹，裂纹：长50—600mm，深8—16mm，断续分布在整条焊缝上。

经对上诉裂纹进行焊接修复，容器安全等级定为四级，监督使用一年。在此后的每年容器复检中，该焊缝均有裂纹出现，最严重的裂纹长达800mm，深约16mm，形成年年有裂纹，年年需修复的现象。本文对该焊缝裂纹的成因进行分析，并提出焊接返修工艺和防治措施，取得了较好的效果。

2 裂纹分布及成因

2.1 裂纹分布

裂纹均发生在顶部气相区和中循环鼻子下部的内侧环焊缝上，并有向焊接热影响区扩展的趋势，大部分裂纹呈龟裂形式，断断续续，且纵向裂纹多于横向裂纹。焊缝及热影响区表明无明显的均匀腐蚀痕迹。

2.2 裂纹产生原因剖析

蒸煮锅的内表面焊缝区周围发现大量浅表面裂纹，其原因是在运行过程中产生的应力腐蚀和应力裂纹，基本因素是应力作用，.是由于材料在特定的组合条件下产生的，蒸煮锅筒体所的材料为20g，是可能引起应力腐蚀的材料，同时蒸煮在运行时， 由于蒸汽的作用， 使木料与锅壳内壁产生相对摩擦， 对锅壳的磨损较大， 年腐蚀量一 般为1～2mm，最严重的达到2.6mm，同时白液对钢材的腐蚀性较大， 腐蚀磨损和焊缝裂纹是蒸锅使用的致命弱点，下面介绍蒸煮锅产生应力裂纹和腐蚀情况。

（1）蒸煮锅的应力情况。1）筒体内压引起的应力。蒸煮锅是中间圆柱两头锥形封头且上下开孔的容器，在压力作用下存在周向和环向应力，在这两种应力作用下，筒体易产生脆性变形，从而产生裂纹；2）制造产生的残余应力。该容器的制造工艺路线是：卷板——组装——焊接。因筒体的板材较厚（28cm），在卷板过程往往需要强力卷板和强力组装，同时板材较厚存在的焊接热应力较大；3）蒸煮锅在使用过程中受力较复杂。蒸煮锅在运行中，由于工艺的要求，是一种间歇式操作的压力容器，每天要煮4—5锅，在每个蒸煮周期，又须进汽、排汽、升压、降压、升温、降温、排料等过程。一天约10个应力，而且升、降压力较陡，尤其是卸料，须利用锅内的压力，瞬间降压较大，对筒体的损伤很大，对裂纹的产生和扩展起到促进作用。

（2）蒸煮锅的腐蚀情况。蒸煮锅使用的药液，采用碱和流酸盐.亚流酸盐，其腐蚀性强，在受热分解时有SO2气体产生，并与铁反应生成FeSO3、FeS，形成薄膜，但极不稳定，蒸煮时锅内木片和筒体产生相对运动，而对筒体产生摩擦使薄膜受到破坏，此时，又将产生新的腐蚀。经分析化验，白液中有微量H2S存在，HzS构成了应力腐触的介质因素，在现有蒸煮工艺条件下蒸煮有可能产生班应力腐蚀。由于蒸煮锅筒体表面膜不稳定，一但对药液的pH控制不好时，波动较大时，更容易促成应力腐蚀裂纹产生。目前，尽管应力腐蚀的机理还存在争议，但HzS在一定条件下产生应力腐蚀是众所周知的，从上面的分析可以看出，蒸煮受力复杂，而且温度、压力波动较大，在交变载荷的作用下药液腐蚀性较强，形成的膜易被损坏，介质中确有H2s存在，为应力腐蚀提供了必备条件。由于蒸煮锅的制造质量亦不尽相同，有的未进行整体热处理，这样一来就有焊接应力存在，在介质的作用下就会使蒸煮锅内表面焊缝区周围产生大量浅表面裂纹。

3 裂纹的修复

3.1 裂纹位置的确定

用着色探伤和超声波探伤，准确测定裂纹的位置和深度，并做好标记。

3.2 焊接返修

（1）用碳弧气刨仔细地铲除裂纹，并开坡口，破口型式见（见下图）。

（2）用角向磨光机打磨坡口及其周围30mm范围内，露出金属光泽。

（3）用着色探伤检查坡口内是否有残余的微小裂纹。

（4）焊条采用E4315，规格为￠3.2mm，使用前经300—350℃烘焙1小时后，放入保温筒中，随用随取。

（5）根据锅体结构，焊接采用横焊位置，焊接电流为90—110A，多层多道焊，每层焊道厚度控制在3mm以下，提高焊缝金属的塑性和韧性。

（6）每道焊缝妥后，立即用风镐锤击焊缝，以松弛焊接应力。

（7）全部焊缝焊妥后，用履带式陶瓷远红外加热器对返修焊缝进行局部消应力热处理，待冷却至室温后拆除。

（8）24小时后进行着色探伤检查，确认无裂纹后投入使用。

本次修复的两台容器，经一年多的使用后检验及以后连续两年的使用后检验，焊缝均未发现裂纹。

4 防止蒸煮锅产生裂纹措施

（1）蒸煮锅组装后应进行整体热处理，尽可能减少残余应力的产生。对返修的蒸煮锅返修部位应作局部热处理。

（2）蒸煮筒体衬不锈钢能有效地防止磨损腐蚀和应力腐蚀裂纹产生。

（3）严格白液中的控制H2S含量和pH值，pH值应控制在7～8以上。

（4）加强使用管理要严格控制工艺（蒸煮的时间。温度。压力），严禁超时/超温/超压运行。

（5）使用过程中，要尽可能缓慢升温、升压、降温、降压，减少对壳体的损伤，还要加强对设备使用中的巡回检查一旦在蒸煮锅使用中发现外壳有漏蒸汽或黑液泄漏的现象，应采取紧急停用，避免事故发。

参考文献：

[1]陈伯蠡.焊接冶金原理[M].清华大学出版社，1991.

[2]陈伯蠡.焊接工程缺欠分析与对策[M].机械工业出版社，1998.

作者简介：李赵铭（1962—）男，福建人，本科，工程师， 研究方向：热工承压类。