造纸蒸球开裂原因分析

宁 洪（玉林市特种设备监督检验所 玉林 537000）

造纸蒸球开裂原因分析

宁 洪
（玉林市特种设备监督检验所 玉林 537000）

本文对碱法造纸蒸球贯穿性裂纹进行了分析，并结合工作实际指出裂纹产生的原因，主要是焊接工艺控制不严、焊工责任心不强、热处理方式处理不当且在使用过程中随着碱浓度的增加，蒸球存在较大的腐蚀及较大的复合应力。针对缺陷，笔者在设计、制造、检验、使用方面给出合理建议。

造纸蒸球 裂纹 原因分析

2012年10月，笔者单位对采用碱法造纸的某纸厂6台在用蒸球进行定期检验，发现6台蒸球球壳极板内壁与传动端长轴头对接角接接头均有不同程度的贯穿性裂纹，现将其中一台的检验情况分析如下：

1 案例概况

1.1 蒸球参数（见表1）

表1 蒸球参数

1.2 检验方法

根据《压力容器定期检验规则》全面检验的要求，采取了宏观检查、壁厚测定、无损检测方法。

以内表面100%磁粉检测为主，对存在缺陷或者可疑部位进行射线或超声波检测抽查。

1.3 存在问题

内表面磁粉检测发现：传动端长轴头与极板球壳对接角焊缝发现两条分别长200mm、50mm的贯穿性裂纹如图1所示，在打磨裂纹过程中，发现伴有未焊透，夹渣等焊接缺陷。

图1 球壳与轴头连接焊缝、柳钉边缘裂纹示意图

2 开裂原因分析

2.1 制造不当

1)焊接工艺控制不严。从打磨情况看，该焊缝坡口形式（单边V形坡口）和尺寸均不符合要求，单面焊破口开得太浅，钝边太厚，坡口间隙过小，焊接质量难以保证。

2)由于该处焊缝厚度大（对接焊缝厚度+补板厚度）和结构的原因，设计文件只要求做磁粉或渗透检测，施焊过程中如果焊工责任心不强，不按规范操作，清根不净，焊层间清渣不够，熔池搅动不均匀，可能会导致熔渣在熔池凝固之前来不及浮出，就极容易出现夹渣，形成焊接残余应力。

3)热处理的影响。由于蒸球在制造、加工、焊接时会产生很大的残余应力，因此，焊接以后应进行消除应力的退火处理。经查，该纸厂的6台蒸球出厂资料，均未发现热处理报告。由于蒸球体积大，运输不便，制造厂都采用现场组焊的方式进行。由于受现场条件限制，安装过程中难免使用强力组装，制造完成后也无法对蒸球进行整体热处理。因此，蒸球的残余应力无法消除。

2.2 应力腐蚀

1)根据HG/T 20581-2011《钢制化工容器材料选用规定》，使用NaOH溶液的限制条件中提到：碳钢和低合金钢焊制容器在NaOH、湿H2S、液氨等介质中使用时，如焊后或冷加工后不进行消除应力热处理，则在NaOH溶液中的使用温度不得大于表1所列的温度。

附1 NaOH溶液的使用温度上限 %

NaOH溶液/(质量百分数) 2 3 5 10 15 20 30 40 50温度上限/℃82 82 82 81 76 71 59 53 47

但是，该纸厂球罐使用NaOH溶液的浓度高达19%，远远高于可能发生应力腐蚀的5%，操作温度为174℃(＞71℃)。因此，该台蒸球具备应力腐蚀的介质因素。

2)虽然碳钢在低温稀碱中具有良好的耐蚀性，但是一旦NaOH溶液的浓度高于5%时，碳钢就有发生应力腐蚀的可能性，并且随着碱浓度的增加，蒸球存在较大焊接残余应力的情况下，碳钢发生应力腐蚀的倾向越大，最终在腐蚀和应力共同作用下产生裂纹。

2.3 复合应力

1)由于蒸球自重较大，再加上物料的重量，蒸球在旋转过程中壳体将承受较大的弯矩和较大的启动扭矩。

2)来自蒸球内压力和拉应力。

3)造纸蒸球是一种间歇性操作，压力温度循环变化，压力升降较频繁，特别是卸料时需利用球内压力使物料喷出，短时压降很大，这就构成了低周交变复合应力运行工况。

因此，在上述这些复合应力和腐蚀介质的共同作用下，裂纹就很容易在应力集中和焊接缺陷处萌生并发展。

3 应对措施

针对以上的分析，提出以下几点应对措施：

3.1 设计

蒸球设计时，应该优化结构，减少结构突变；考虑增加消除应力热处理要求，可采用球形储罐的内燃法热处理工艺进行整体热处理；考虑在内壁喷涂致密的金属粉末层或非金属涂料，使金属表面和NaOH腐蚀介质隔开，避免直接接触，杜绝应力腐蚀的发生。

3.2 制造

1）提高蒸球的制造质量。制造时尽可能保证球壳板的压制质量和球片的几何尺寸，在组装过程中，应该严格控制组装工艺，采用合理的焊接顺序，保证焊缝能自由收缩的余量，严禁强力组装。

2）严格控制焊接工艺，保证焊接质量。开出合格的焊接坡口，选择合理的焊接工艺，焊前预热，焊接过程每层锤击除渣，对焊缝采用分段退火，多层焊时使用每段锤击的方法，焊后保温缓冷等工艺消除焊接残余应力。

3.3 检验

增加无损检测比例，缩短检验周期。检验时，应特别注意检查纵环焊缝及热影响区，补焊焊缝及热影响区，球壳极板与轴头之间的连接焊缝，加料口加强圈和防滑板两侧角焊缝和母材；对球壳内拼接焊缝和补焊焊缝及两侧100mm范围内进行100%磁粉检测和射线或超声波检测抽查，对角焊缝进行100%渗透检测，对球壳极板与轴头连接焊缝进行100%磁粉检测和100%超声波检测。

3.4 使用

制订严格的工艺操作规程。使用中，应严格控制NaOH溶液的浓度或蒸球的使用温度。建议加装温度自动控制仪，限制加热蒸汽量，将物料温度控制在不发生应力腐蚀的范围内。

3.5 改造

建议在长轴头与球壳极板之间加焊一块加强板，以分散球体旋转时对长轴头与球壳极板的连接焊缝的弯矩和启动扭矩，降低和消除残余应力。改进后的传动端长轴头与球壳极板的连接结构图，如图2所示。

图2 球壳与轴头链接内接加强板示意图

1 TSG R7001-2004压力容器定期检验规则.

2 HG/T 20581-2011钢制化工容器材料选用规定.

3 刘展、宋应龙压力管道焊接，学苑出版社，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

宁洪(1964～),男,工程师,主要研究方向为特种设备监督检验。

2014－05－12）