［摘要］本文应用断裂力学分析(Analyse)KZL热水锅炉后管板孔桥断裂失效问题，认为产生断裂的原因是由于锅炉自身结构不合理而产生的。
一.引言KZL型热水锅炉运行使用不久，后管板孔桥发生漏水断裂（fracture)现象已经不是新问题了。开始人们怪罪于烟管的焊接和锅内的强制循环，但是后来发现，烟管的胀接和锅内的自然循环同样也发生漏水和断裂，如此看来，孔桥的断裂不仅仅与烟管的连接方式和锅内水的循环方式有关，可能还与其他因素有关。许多事实（Fact)表明，各种构件的断裂与受力有关，这样，就使我们可以从受力的角度来分析这一问题。为了便于集中讨论问题，本文主要讨论烟管焊接的孔桥断裂问题。二.孔桥断裂机理例如，我厂1981年生产的一台KZL 240-7/95-70-AII热水锅炉，安装后使用不到三个月就出现后管板漏水，停炉检查发现后管板高温段的孔桥高温段的孔桥有三处断裂，裂纹开口较宽，长度较短，边缘平滑，粗糙度测量仪 裂纹尖端圆钝，有部分塑性变形，裂缝中夹杂有水垢、烟灰和腐蚀物质。裂纹起源于烟管填角焊接缝内例，向外侧扩展，并向孔桥母材和烟管纵向延伸，呈二维开裂，烟管端部有局部过烧痕迹，取样显微（电镜）观察，发现孔桥裂纹附近基本组织是条状珠光体加铁素体，并有少量魏氏组织，晶粒较粗大，断口特征沿晶、穿晶均有；离裂纹10毫米处显微组织为珠光体加铁素体，晶粒细小均匀，取样进行化学元素分析和机械性能试验，结果如下： 化学成分（%）
机械性能
C Si Mn S P σs(kgf/mm2) σb(kgf/mm2) δ5（%） ακ(kgf·m/cm2) 冷弯d=2a孔桥裂纹处附近取样 0.17 0.22 0.43 0.017 0.010 24.5 39.5 32.5 10.5 合格原母材（20g） 0.18 0.23 0.43 0.018 0.011 32 45.5 29 11 合格注：1.在后管板孔桥断裂（fracture)处附近取样；2.原母材的化学成分和机械性能为原料(raw material)进厂复验收据，符合GB713-72标准中的20g锅炉钢板。从以上试验结果可以看出，孔桥裂纹附近材料的化学成分几乎没有改变，机械性能的强度（strength)有所下降，塑性上升，而冲击韧性和冷弯工艺性能没有改变。3.该锅炉的进出水方式为上进上出自然循环（continue)，烟管与管板连接方式为焊接。在修理时发现后管板高温段内侧管束群中积有4－8毫米厚的水垢。三. 弹塑性断裂力学分析按照强度理论，制作锅炉的材料是均匀的连续（Continuity)的和没有缺陷的，锅炉制造质量中也不允许有 ;裂纹 ;等缺陷存在的。但这仅是假设，并不符合客观实际，实际上在材料内部和锅炉制造过程中总是不可避免地存在着一些 ;裂纹 ;等缺陷的。对于工业锅炉来说，其受压元件的材料主要是中低强度高韧性的钢材。这类钢材如有裂纹，在裂纹扩展前通常伴随有较大范围的屈服和塑性变形。按断裂力学观点分析这类裂纹问题时，需要用弹塑性断裂力学来求解，即：
式中：δ—裂纹开张位移（COD），mm；C—裂纹长度之半（或贯穿于全厚度或近于全厚度的裂纹），mm；σs—钢材屈服强度，N/mm2 (kgf/mm2)；E—弹性模量，N/mm2 (kgf/mm)；σ—裂纹所在处的应力，N/mm2 (kgf/mm2)此式把应力、裂纹尺寸和裂纹尖端张开位移联系起来了。如应力增大，无损检测裂纹张开位移也增大，当裂纹张开位移达到某临界值σc时，裂纹即开始扩展，此σc值称为 ;临界张开位移 ；它仅与材料性质有关。判定的准则是：当σ≥σc时，裂纹扩展或材料失效。为叙述的方便，现以上述KZL 240-7/95-70热水锅炉为例进行分析，其工作压力P=0.686N/cm2(7kgf/cm2)，内径D=1800mm，后管板材料为20g，屈服强度σs＝313.6N/mm2(32kgf/mm2)，板厚S=16mm，E=20.6×104N/mm(2.1×104kgf/mm)，烟管与管板连接方式为外侧填角焊，焊脚高度为4mm，如图二。
按制造工艺，烟管仅在管板外侧进行封焊，因此，管孔与烟管之间必然存在一条缝隙，按照断裂力学的观点，此条缝隙就是一条由于锅炉自身结构而产生的 ;裂纹 ;。从有关资料(Means)中阅到：20g钢板，当板厚S=16mm，σs＝32kgf/cm2时，其材料断裂韧性(toughness)值即临界张开位移σc＝0.114－0.147mm，平均断裂韧性值σc＝0.136mm。根据焊接缝设计的等强度原则，设焊接断裂韧性与母材等效，取焊缝的σc＝0.136mm。如前所述，后管板孔桥的断裂首先是由填角焊缝的被撕裂而引起的，管孔与烟管之间的 ;原始裂纹 ;如受外部应力的作用，其裂纹夹端会引起扩展，此时初始开裂应力为：
式中：M—鼓胀效应修正系数， 对于平板取M=1取σc=σs'=240N/mm2 (24.532kgf/cm2)，C=16mm，代入上式， 得：
（23.6 kgf/cm2）此时开裂应力小于母材的屈服应力，也小于孔桥裂纹附近处的屈服应力，即：σc≤σs，
σc＜σ s’可见，填角焊缝内侧开裂处的应力场仍处于弹性范围内。为什么焊缝在低应力下就出现开裂呢？按照传统的观念，这种现象似乎不好解释，但按断裂力学的观点来解析（analysis 剖析；深入分析)，就能得到较满意的回答。因为锅炉受压元件的安全不仅仅决定于材料(Material)的机械性能，而且还与材料的断裂韧性以及受压元件的外加负荷的受力方式、 ;原始（Original)裂纹 ;的形状尺寸等因素(factor)有关。如果外部应力继续增大，并受交变载荷的作用，填角焊缝应有可能（maybe)被撕裂，一旦撕裂，又作为新的 ;裂源 ;向孔桥母材处和烟管管壁处扩展，最终导致(cause)孔桥母材的管壁的撕裂看来是没有疑义的了。四. 外部应力分析既然焊缝内侧开裂的危险是存在的，那么作用于该处的外部应力是如何产生的呢？简言之，它是外部各种应力叠加的结果。即：σ＝σ1＋σ2＋σ3＋……σn=∑σ当σ≥σc时，裂纹扩展或材料失效。1.填角焊缝处的扩展或材料失效KZL型锅炉的烟管是直管，两端固定(fixed)焊接在前后管板上，呈刚性连接。钢管热胀冷缩，相对伸长得不到补偿，即使火侧与水侧换热良好，但是整根烟管是浸在水中的，由于水温的变化，烟管在长度方向上产生热应力，这个热应力当烟管受热伸长时为拉应力，冷却(cooling)收缩时为压应力。这种拉一压应力反复作用于烟管两端的焊缝上，成为焊缝的拘束应力。从受力方式上来看，焊缝两端的拘束应力是剪应力。填角焊缝本身承受剪切变形的能力就很低，因此，角焊缝被撕裂的形式通常表现为被切断。2.孔桥与烟管缝隙处的温差应力：由于KZL 240-7/95-70锅炉锅内水容积大，水循环不论采取强制循环还是自然循环，锅内特别是前后管板附近的水速是很低的，出现水流的 ;停滞区 ；而后管板烟气第一回程入口处受到高温烟气（高于9200C）的快速冲刷，无损检测放热激烈，孔桥与烟管之间的缝隙处的水可能产生局部汽化，形成水一汽二相流体。由于水蒸汽的导热性能很差，填角焊缝得不到冷却，传热恶化，当缝隙的蒸汽压（vapor pressure)力增大到一定程度之后，蒸汽向水域膨胀扩散，蒸汽被水冷却，锅水又进入缝隙冷却焊接内侧，（此种现象在锅炉传热中称之为 ;过冷沸腾 ;），产生很大的温差应力。如此反复作用，形成交替热应力循环，加速焊缝内侧的开裂。值得指出的是热水锅炉系统(system)的循环水量比对应的蒸汽锅炉进水量要大得多，当水质处理不良时，锅筒内壁特别是后管板高温段烟管束的内壁很容易凝聚水垢，而水垢自身的热阻就很大，使局部壁温升高，也会增大温差应力。3.焊接残余应力：烟管与管板采用焊接连接，其焊根往往会产生局部塑性变形，形成难于消除的残余应力，这种残余应力本身就作用焊缝的内侧。4.其他应力管板内侧产生的局部膜应力，管孔缘也会产生的应力集中，加上管板平面的折叠应力，以及一些机械应力等，合计为其他应力也会作用于焊缝内侧。以上各种应力叠加的结果，就会使外部应力达到或超过裂纹初始开裂应力，导致焊缝裂纹的扩展，使焊缝撕裂。当然，这些应力并不是同时起作用的。从应力的分类来看，这些应力多属于间接应力和峰值应力，一般不作直接计算。五. 疲劳裂纹的扩展焊缝一旦撕裂，它就作为新的裂源向孔桥母材纵深延伸，其机理是：由于热为锅炉多用于民用建筑采暖，锅炉的启动停炉比较频繁（frequency)；加上锅炉升温降温快，因此温度梯度大，热应力也就很大。同时，如上所述，孔桥与烟管之间的缝隙的水不断 ;汽化一冷却一汽化 ；（即 ;过冷沸腾 ;现象重复（repeat)的发生）；加上内侧水垢的存在，使壁温升高，水垢坚硬而易脆，一旦破裂，锅水又重新渗入缝隙，冷却内壁，水垢再次 ;愈合 ；如此反复 ;升温一冷却一升温 ;交替进行，产生应力循环，在此交变载荷作用下，裂纹不断扩展，直至开裂。值得指出的是，这种疲劳裂纹的脆性断裂，一般都发生在焊缝漏水之后，这种现象就是所谓 ;先漏后裂 ;现象。KZL热水锅炉失效形式通常也是表现为 ;先漏后裂 ；一旦漏水，就先给人们以警告，这也许是热水锅炉是很少发生突然脆断或爆炸的缘故吧。仍以KZL240-7/95-70热水锅炉为例，求烟管口焊缝发生贯穿性裂纹后的应力循环次数。已知：设初始裂纹Co=C=16mm，即管孔与烟管之间的缝隙度度。断裂后的裂纹尺寸C1=16+4=20mm，即初始裂纹扩展后使外侧填角焊缝全部裂开（此时裂缝开始出现漏水），由于焊缝受交变应力作用，设最大正应力为拉应力并等于初始开裂应力，即σma=σc=231.4N/mm2(23.6kgf/mm2),而最小负应力并不都与正应力对称，设σmin＝-0.5σma，则交变压力幅度△σ＝σ－σmin=1.5σc=347.1N/mm2(35.4kgf/mm2)，每经一次应力循环碳素钢的裂纹扩展速CN=2×10-10mm/N，材料常数m=3，管板为平板裂纹几何形状系数Y=1，试求疲劳裂纹扩展的循环次数N：解：将已知数代入，得：假设该热水锅炉在各种疲劳因素的综合使用下，一昼夜发生10次应力循环，则疲劳裂纹的损伤寿命(lifetime)估计为：T=1069/10=107（天）这个估计结果与该锅炉运行不到三个月就发现后管板漏水的事实（Fact)很吻合。这也说明断裂力学对种锅炉后管板裂纹问题的评估是可信的。一般认为应力循环次数在102－105范围内是属于高应力下的低周疲劳损伤。因此KZL热水锅炉后管板断裂漏水也是属于低周疲劳损伤，危害性较大，应该引起足够的重视。六. 断裂失效原因分析及其他从断裂力学的基本原理出发，裂纹的开裂和扩展是由原始裂纹受力而引发的，无损检测由上述分析可知，KZL热水锅炉孔桥断裂失效的原因是由于锅炉内在应力引发的，也就是说是由锅炉自身结构不尽合理引起的。例如，烟管不论焊接还是胀接，都不可避免地存在与管壁之间的缝隙；烟管为直管，刚性连接，无伸缩（伸出和缩进 比喻在一定限度内的变通)余地；后管板受高温烟气直接冲刷，加上运行时启停频繁，在交变载荷下，引起裂纹的疲劳扩展，这些都是孔桥断裂失效的原因。至于锅内水循环方式与孔桥裂纹不会产生直接的关系，水质不良会产生水垢，它们都会对锅炉后管板孔桥断裂失效产生诱发因素。正因为如此，新疆维吾尔自治区劳动人事厅1986年10月发出 ;关于KZL型热水锅炉处理意见的通知 ;指出： ;多年来，KZL型热水锅炉在新疆大部分地区运行情况欠佳，损坏比例较高，严重地影响了人们的冬季采暖，并给国家财产造成损失（loss)。 ;通知要求区内各锅炉制造厂自1986年11月以后不得再生产KZL型锅炉。根据这一通知精神，我厂果断地淘汰（eliminate)了KZL型锅炉，并研制开发了SZL型系列的锅炉，以取代KZL型热水锅炉。下面仅将KZL锅炉与SZL锅炉在结构上作些简单的比较。