鑄鐵造紙烘缸常見缺陷及其無損探傷關(guān)鍵技術(shù)

葉玉龍 劉桂雄 李旭峰 陳和坤

（1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 2.廣東省特檢院 3.汕頭市超聲波所）

1 引言

鑄鐵因其良好的耐磨性、耐腐蝕性和保溫性，且其內(nèi)應(yīng)力比鋼制壓力容器小得多，而被世界各國廣泛應(yīng)用于造紙烘缸。由于鑄鐵造紙烘缸一般體積較大，價(jià)格昂貴，所以國內(nèi)造紙廠多從國外進(jìn)口舊烘缸。由于使用時(shí)間較久，一般在投產(chǎn)前要對(duì)烘缸進(jìn)行安全檢測(cè)，使用期間也需要按壓力容器的安全規(guī)定進(jìn)行定檢。由于造紙烘缸缺陷引起事故造成的損失巨大，故對(duì)鑄鐵烘缸進(jìn)行常見缺陷分析和無損探傷研究有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 鑄鐵造紙烘缸的材料及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

雖然鋼焊接的造紙烘缸傳熱效率較好，但是卷曲的鋼板內(nèi)應(yīng)力無法釋放，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定，因此目前造紙烘缸基本還是采用鑄鐵。鑄鐵主要有白口鑄鐵、灰口鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和合金鑄鐵?；铱阼T鐵斷面呈灰色，其減震性、耐磨性和水中的耐腐蝕性等性能都優(yōu)于其它類型鑄鐵，因此，鑄鐵造紙烘缸多采用灰口鑄鐵[1]。由于鑄鐵烘缸一般較厚，在鑄造冷卻過程中常會(huì)出現(xiàn)氣孔、夾砂、冷隔、縮孔、疏松和裂紋等情況，內(nèi)部還常存在大量片狀石墨和各向異性分布的粗大晶粒[2]。

鑄鐵造紙烘缸主要由缸體和端蓋組成。烘缸實(shí)物圖如圖1所示。烘缸中間部位為一圓筒形灰口鑄鐵殼體稱之為缸體，兩端為凹形或者凸形端蓋。端蓋是變曲率、不等厚度的鑄鐵板，端蓋上開有人孔，可供人員進(jìn)入烘缸筒體內(nèi)部進(jìn)行檢查。端蓋如圖2 所示。端蓋與筒體用多個(gè)螺栓連接。烘缸的附件主要有虹吸管和壓力安全閥。

圖1 烘缸

圖2 烘缸端蓋

3 鑄鐵造紙烘缸的常見可能性缺陷

烘缸是造紙機(jī)的重要部位，工作時(shí)會(huì)受到高壓水蒸氣的腐蝕，尤其是兩端蓋不但承受自重和缸內(nèi)蒸汽冷凝水重量，還受到烘缸轉(zhuǎn)動(dòng)的離心力作用。由于鑄鐵烘缸的材料和結(jié)構(gòu)特性影響，相對(duì)薄弱部位容易出現(xiàn)缺陷，主要有：端蓋或缸體裂紋、表面磨損或剝落、彎曲和扭轉(zhuǎn)變形、連接螺栓扭裂和缸內(nèi)銹蝕等[3]。

(1)烘缸鑄造成型時(shí)留下的縮孔、夾砂和氣孔等缺陷[4]。雖然很多時(shí)候不會(huì)直接影響烘缸的安全使用，但這些缺陷部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對(duì)于其它部位有所降低，使用時(shí)更容易受到破壞，影響安全。

(2)筒體腐蝕，厚度減少。烘缸內(nèi)表面經(jīng)常處于高壓水汽環(huán)境下，缸體內(nèi)壁容易被水汽腐蝕，導(dǎo)致表層脫落、凹坑；烘缸外表面需要保持一定的光潔度以滿足紙張經(jīng)過時(shí)不受破壞。但在造紙車間里酸、堿、水、汽、漿都比較多，對(duì)外表面造成一定腐蝕；此外定檢時(shí)可能要對(duì)烘缸內(nèi)、外表面進(jìn)行打磨，這樣烘缸的厚度就會(huì)慢慢變薄[5]。另外，鑄鐵烘缸屬于脆性材料，在缸體受腐蝕或厚度減少到一定程度時(shí)，在高壓狀態(tài)下會(huì)突然破裂，甚至爆炸。

(3)筒體裂紋、漏水。烘缸在使用時(shí)，缸體要承受各種應(yīng)力，如內(nèi)部蒸汽壓力、離心力、缸體內(nèi)外溫差應(yīng)力、自重應(yīng)力和缸體轉(zhuǎn)矩引起的應(yīng)力[6]。烘缸筒體裂紋可能由縮孔和夾砂等發(fā)展而成，也可能是應(yīng)力所致?？s孔、夾砂等缺陷擴(kuò)大可能引起筒體漏水；而應(yīng)力特別是轉(zhuǎn)動(dòng)扭應(yīng)力和蒸汽壓力容易造成缸體裂紋或變形；同時(shí)，缸體內(nèi)壁受液體腐蝕，導(dǎo)致表層脫落、凹坑，進(jìn)而發(fā)展為裂紋；外壁與帶水的紙幅接觸，同樣可能受腐蝕導(dǎo)致裂紋；紙張可能帶有較硬的微粒，刮傷烘缸表層導(dǎo)致裂紋[7]；筒體兩端與端蓋接觸的凸緣周圍由于螺栓傳力作用，筒體中間位置扭矩較大，這兩位置應(yīng)力也會(huì)較大，容易出現(xiàn)裂紋。檢測(cè)時(shí)，對(duì)這些部位應(yīng)重點(diǎn)檢查。

(4)端蓋裂紋、漏水和螺栓斷裂。烘缸有前端蓋和后端蓋。后端蓋開有人孔，人孔由人孔蓋蓋住，用螺栓緊固，如圖2 所示；前端蓋是傳動(dòng)側(cè)端蓋，又名進(jìn)氣端蓋或驅(qū)動(dòng)側(cè)端蓋。端蓋承受烘缸內(nèi)部的蒸汽壓力、自身和缸體轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力、傳動(dòng)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和熱應(yīng)力等[8]，也受到缸體內(nèi)部的冷凝液體的腐蝕破壞。端蓋由于變曲率、不等厚度等不連續(xù)結(jié)構(gòu)，存在大曲率部位；螺栓孔和人孔較多，容易集中應(yīng)力，是烘缸薄弱的部位。因此，在端蓋與轉(zhuǎn)軸連接部位、人孔環(huán)帶、端蓋筋板與輪轂過渡區(qū)域、端蓋與缸體連接法蘭盤部位和連接螺栓都容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋[9]；另外，在烘缸端蓋人孔壓條槽處受力集中容易出現(xiàn)放射狀的裂紋，導(dǎo)致端蓋漏水甚至破裂[9]；連接螺栓受腐蝕之后，在蒸汽壓力等應(yīng)力的作用下，可能會(huì)斷裂，導(dǎo)致爆炸，造成嚴(yán)重后果。

(5)虹吸管和壓力閥損壞。虹吸管和壓力閥都是烘缸非常重要的附件。虹吸管主要導(dǎo)出缸內(nèi)冷凝水；壓力閥監(jiān)控烘缸的壓力。烘缸工作時(shí)，虹吸管隨缸體一起轉(zhuǎn)動(dòng)，受到蒸汽壓力作用，可能出現(xiàn)松動(dòng)、變形、扭裂；在長期高壓蒸汽下，可能被腐蝕穿孔；此外，當(dāng)出現(xiàn)堵塞或疏水閥失效時(shí)，凝結(jié)水排不凈造成內(nèi)壁有氧腐蝕[10]。通常，壓力閥故障可能會(huì)導(dǎo)致安裝松動(dòng)、鉛封不牢固，或者壽命結(jié)束。壓力閥有明確的使用有效期，若超出期限或損壞，可直接更換。

4 鑄鐵造紙烘缸的無損探傷關(guān)鍵技術(shù)

無損探傷是指在不破壞被測(cè)物件的前提下，借助現(xiàn)代檢測(cè)設(shè)備和技術(shù)對(duì)被測(cè)物件的破壞情況進(jìn)行檢測(cè)[11]。無損檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域和核工業(yè)上廣泛采用，一些民用工業(yè)國家有關(guān)管理部門甚至在一些領(lǐng)域立法強(qiáng)制實(shí)施無損檢測(cè)技術(shù)，制定了相應(yīng)的檢測(cè)和安全等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，如油氣罐、輸油氣管道、發(fā)電設(shè)備和一些大型的、承受高載荷的機(jī)械設(shè)備等[12]。鑄鐵造紙烘缸無損檢測(cè)雖然目前還沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，但作為一種壓力容器，無損檢測(cè)方法已經(jīng)在烘缸檢測(cè)上廣泛應(yīng)用。

無損檢測(cè)方法分六大類，約有70種，常用的主要有磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、渦流檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、音頻檢測(cè)、X射線透照和射線層析攝影法[13]。前四種方法常用于烘缸無損檢測(cè)。射線檢測(cè)由于射線的有害性，其作業(yè)必須在特殊密閉室內(nèi)進(jìn)行，并且較大的烘缸擺在射線機(jī)下面照射也是不現(xiàn)實(shí)的，它雖然在其它工件的檢測(cè)效果很好，但不適用于烘缸檢測(cè)。磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)和渦流檢測(cè)主要用于烘缸表面缺陷的檢測(cè)；超聲波檢測(cè)法可檢測(cè)內(nèi)部和表面的缺陷，但一般用于烘缸內(nèi)部缺陷檢測(cè)。

(1)磁粉檢測(cè)

磁粉檢測(cè)是漏磁場(chǎng)檢測(cè)的一種方法，其根據(jù)是磁化后鐵磁性工件由于缺陷處磁力線受到破壞，使工件表面或近表面的磁力線發(fā)生突變，這些磁力線吸附磁粉后，在適當(dāng)?shù)墓庹蘸笮纬煽梢姷拇藕郏瑥亩讶毕莸拇帕€變化顯示出來[14]。

磁粉檢測(cè)一直被認(rèn)為是表面無損檢測(cè)最好的方式，但只適合用于鐵鎳基鐵磁性材料，對(duì)較小的表面或近表面缺陷反映較準(zhǔn)確，而不適合檢測(cè)較寬的表面和內(nèi)部缺陷。它適用于鑄鐵件的表面裂紋檢測(cè)，尤其是在表面不是水平或表面不規(guī)則性與裂紋相比大得多的情況下。其實(shí)質(zhì)就是利用漏磁場(chǎng)比缺陷大數(shù)十倍的特點(diǎn)把缺陷放大。鑄鐵造紙烘缸的鑄鐵材料特點(diǎn)和烘缸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)正好符合磁粉檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，因此，該檢測(cè)法被認(rèn)為是檢測(cè)烘缸表面缺陷最好的選擇，被廣泛應(yīng)用[15]。但是，它需要先對(duì)工件進(jìn)行磁化，完成檢測(cè)后還要退磁，而且一次檢測(cè)的范圍較小，相對(duì)大型烘缸來說，工作效率較低，并且磁痕分析對(duì)操作人員的經(jīng)驗(yàn)依賴性較強(qiáng)。針對(duì)這些限制，磁粉檢測(cè)將向著檢測(cè)儀器自動(dòng)化和磁痕分析智能化處理方向發(fā)展[16]。

(2)滲透檢測(cè)

滲透檢測(cè)是利用液體的毛細(xì)管作用，將滲透液滲入固體材料表面開口缺陷處，再通過顯像劑將滲入的滲透液析出到表面顯示缺陷的存在[17]。滲透檢測(cè)所用的設(shè)備簡單，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)有較大的優(yōu)勢(shì)。該方法可廣泛應(yīng)用于大部分的非吸收性物料，如鋼鐵，有色金屬，陶瓷及塑料等，對(duì)于形狀復(fù)雜的缺陷也可一次性全面檢測(cè)。但其試劑成本較高，而且只能檢測(cè)表面開口缺陷，檢測(cè)程序繁瑣，噴涂滲透液和滲透時(shí)間長，靈敏度低于磁粉檢測(cè)，對(duì)于埋藏缺陷或閉合性表面缺陷無法測(cè)出，對(duì)被檢測(cè)物體表面光潔度有一定要求。對(duì)鑄鐵造紙烘缸來說，該方法能充分發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)端蓋等形狀復(fù)雜部位可以實(shí)現(xiàn)很好的檢測(cè)效果。但是它也存在較多局限：一是烘缸材料結(jié)構(gòu)縮孔或疏松可能對(duì)滲透結(jié)果擴(kuò)大，影響缺陷評(píng)價(jià)；二是如果烘缸外表面鍍鉻，則檢測(cè)可能無法進(jìn)行；三是檢測(cè)內(nèi)表面時(shí)要打開人孔進(jìn)入缸內(nèi)，需要較長時(shí)間；四是烘缸結(jié)構(gòu)大、數(shù)量多，一條生產(chǎn)線往往有數(shù)十個(gè)烘缸，噴涂滲透試劑和等待滲透會(huì)占用很長時(shí)間；五是鑄鐵造紙烘缸內(nèi)表面一般不平整，表面處理比較困難。對(duì)于造紙工業(yè)生產(chǎn)來說，長時(shí)間停產(chǎn)是不允許的。

針對(duì)滲透檢測(cè)效率不高的特點(diǎn)，國內(nèi)外都有人嘗試了一些自動(dòng)化措施來提高效率，如大型鑄件采用靜電噴涂熒光液體、大批量的零件建立自動(dòng)生產(chǎn)線，如美國辛迪克斯公司的葉片自動(dòng)熒光檢驗(yàn)系統(tǒng)。滲透檢測(cè)研究主要發(fā)展思路是降低滲透劑成本、縮短噴涂滲透時(shí)間，朝著自動(dòng)化方向發(fā)展，這也是其能夠在烘缸檢測(cè)中解決局限、充分發(fā)揮其原有優(yōu)勢(shì)的做法。

(3)渦流檢測(cè)

渦流檢測(cè)是基于電磁感應(yīng)原理，用電磁場(chǎng)對(duì)金屬工件進(jìn)行電磁感應(yīng)，使工件產(chǎn)生變化的渦流，從而產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，然后用傳感器測(cè)出工件表面或近表面的磁場(chǎng)是否存在異常，由此得到工件的表面或近表面是否有缺陷[18]。對(duì)被檢工件缺陷定性、定位和定量，主要是通過磁場(chǎng)最大值出現(xiàn)的時(shí)間來判斷。渦流檢測(cè)時(shí)線圈不必與被測(cè)物直接接觸，可進(jìn)行高速檢測(cè)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，并且檢測(cè)時(shí)不需要對(duì)工件進(jìn)行表面處理，大大節(jié)省了時(shí)間。對(duì)于鑄鐵造紙烘缸作業(yè)線，渦流檢測(cè)具有可以不用耦合介質(zhì)和不需進(jìn)行表面處理等優(yōu)勢(shì)。但渦流檢測(cè)一是不適用于形狀復(fù)雜的零件；二是只能檢測(cè)導(dǎo)電材料的表面和近表面缺陷，檢測(cè)結(jié)果也易受到材料本身及其它因素的干擾；三是隨著檢測(cè)的缺陷深度、渦流滲透深度增加，激勵(lì)頻率的降低，表面的渦流密度下降，檢測(cè)靈敏度也會(huì)隨之降低[19]。這樣，無法從外表面對(duì)內(nèi)表面的缺陷進(jìn)行檢測(cè)；檢測(cè)內(nèi)表面時(shí)需要打開人孔，花費(fèi)大量時(shí)間，對(duì)內(nèi)表面的渦流感應(yīng)實(shí)現(xiàn)起來比較困難；在檢測(cè)烘缸端蓋時(shí)，由于端蓋的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢測(cè)的準(zhǔn)確性會(huì)受到較大的影響。

(4)超聲波檢測(cè)

超聲波檢測(cè)是應(yīng)用最廣泛的無損檢測(cè)方法之一，它利用進(jìn)入被檢測(cè)材料的超聲波，在遇到材料表面或內(nèi)部缺陷時(shí)，傳播狀態(tài)發(fā)生改變，如反射、衍射和發(fā)射波減弱等，通過儀器接收改變后的超聲波進(jìn)行分析，就可以對(duì)工件是否存在缺陷等狀態(tài)進(jìn)行判讀[20]。超聲檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)有[21～23]：

① 不受材料限制，一般只需要從一側(cè)接近被測(cè)物體；

② 設(shè)備輕便，對(duì)人體和環(huán)境基本無害，對(duì)在用工件檢測(cè)有較大優(yōu)勢(shì)；

③ 靈敏度高，可檢測(cè)出材料內(nèi)部較小的缺陷；

④ 既可以檢測(cè)出與檢測(cè)面相對(duì)平行的缺陷，也可以檢測(cè)出與檢測(cè)面相對(duì)垂直的缺陷，對(duì)在深度方向重疊的缺陷也可以檢出，而射線檢測(cè)就難以檢出與檢測(cè)面相對(duì)垂直的缺陷，對(duì)重疊缺陷也無法反映。

基于以上優(yōu)勢(shì)，超聲波檢測(cè)在鑄鐵造紙烘缸的無損檢測(cè)中應(yīng)用較多，尤其是需要同時(shí)檢測(cè)表面缺陷和內(nèi)部缺陷的情況下應(yīng)用更多。該方法可以滿足只從烘缸外表面對(duì)烘缸整個(gè)壁厚的缺陷檢測(cè)，無需打開人孔，節(jié)省了檢測(cè)時(shí)間。但是，該方法在烘缸檢測(cè)上也有局限：

① 縱波反射法檢測(cè)存在盲區(qū)，近表面和表面的缺陷有時(shí)難于測(cè)出；

② 缺陷取向?qū)z測(cè)靈敏度有影響，從而影響結(jié)果的可靠性；

③ 由于造紙烘缸的鑄鐵材料晶粒大、片狀石墨較多和縮孔多等特點(diǎn)，超聲檢測(cè)效果有時(shí)不夠準(zhǔn)確；

④ 烘缸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是端蓋部位，其變曲率和不等厚度對(duì)超聲波影響較大；

⑤ 傳統(tǒng)超聲檢測(cè)需要耦合劑，涂抹耦合劑對(duì)大型工件來說比較麻煩。

基于以上局限性，人們嘗試很多方法：

① 利用低頻率超聲波來減少鑄鐵材料晶粒大等的影響；

② 用雙晶探頭檢測(cè)近表面和大曲率部位；

③ 用聲程衍射時(shí)間法（TOFD）檢測(cè)體積型缺陷等，取得了較好的實(shí)際效果。

但是結(jié)果的可靠性還是難趨完美，各種新技術(shù)的探索不斷出現(xiàn)，如相控陣超聲波技術(shù)、激光散斑技術(shù)、激光超聲檢測(cè)技術(shù)、非線性超聲波技術(shù)、超聲導(dǎo)波技術(shù)和空氣耦合技術(shù)等[24,25]。

5 總結(jié)和展望

造紙烘缸的使用安全事關(guān)重大，國家相關(guān)部門已經(jīng)通過法規(guī)要求烘缸必須至少每兩年定檢一次。由于無損檢測(cè)技術(shù)的局限性，目前的定檢大多是人眼宏觀檢查為主，這樣無法最大限度的排除人為因素影響，更無法確認(rèn)烘缸的使用安全。但是，無損檢測(cè)技術(shù)代替人眼宏觀檢查是烘缸安全檢測(cè)的必然之路。鑄鐵造紙烘缸的無損檢測(cè)趨勢(shì)將是：

(1)節(jié)省時(shí)間，不開人孔，單從外表面即可進(jìn)行整個(gè)厚度范圍，包括表面和內(nèi)部的缺陷檢測(cè)；

(2)開發(fā)便攜式自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，減少人為因素的影響，提高檢測(cè)效率和可靠性。不但要在信息獲取環(huán)節(jié)加強(qiáng)自動(dòng)化程度的推進(jìn)，還要在數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)智能化方面加速發(fā)展；

(3)加強(qiáng)檢測(cè)技術(shù)的改進(jìn)，解決無損檢測(cè)方法的局限性，提高檢測(cè)結(jié)果全面性和準(zhǔn)確度。

根據(jù)目前的研究情況，大多數(shù)人都趨向于用超聲波技術(shù)檢測(cè)烘缸的缺陷，這樣比較容易達(dá)到目標(biāo)，并且在常規(guī)超聲波技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行新技術(shù)探索。激光超聲檢測(cè)技術(shù)、空氣耦合技術(shù)、超聲衍射時(shí)差等技術(shù)代表了鑄鐵造紙烘缸超聲無損檢測(cè)技術(shù)朝數(shù)字化、自動(dòng)化和智能化的方向發(fā)展。尤其烘缸的相控陣超聲波技術(shù)是目前關(guān)注的重點(diǎn)，很多人致力于研究自適應(yīng)聚焦相控陣超聲系統(tǒng)、自適應(yīng)信號(hào)補(bǔ)償技術(shù)、柔性低頻相控陣陣列探頭和相控陣三維成像技術(shù)等，預(yù)計(jì)在不久的將來就會(huì)有突破性的進(jìn)展。

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