一起鑄鐵烘缸端蓋泄漏的原因分析

陳金爛

（福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院漳州分院，福建 漳州 363000）

一起鑄鐵烘缸端蓋泄漏的原因分析

陳金爛

（福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院漳州分院，福建 漳州 363000）

文中分析了鑄鐵烘缸端蓋泄漏產(chǎn)生的原因和過(guò)程，并提出了改進(jìn)建議。

鑄鐵烘缸；端蓋；泄漏；裂紋

1 引言

2015年1月，漳州市某造紙廠有一臺(tái)投用8天的新鑄鐵烘缸位于操作側(cè)端蓋與軸頸連接的圓弧過(guò)渡部位發(fā)現(xiàn)有蒸汽泄漏現(xiàn)象，廠方立即停止了對(duì)該烘缸的供汽并聯(lián)系檢驗(yàn)人員對(duì)該烘缸進(jìn)行詳細(xì)檢驗(yàn)。

該烘缸由國(guó)內(nèi)有資質(zhì)的制造廠，于2014年9月份制造出廠，出廠技術(shù)資料齊全，手續(xù)完整。烘缸直徑為1800mm，缸體和端蓋材質(zhì)均為HT200，端蓋采用凹式結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)壓力為0.3MPa，設(shè)計(jì)溫度為143℃；工作介質(zhì)為水蒸汽。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)缺陷情況

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)泄漏發(fā)生在操作側(cè)端蓋與軸頸連接的圓弧過(guò)渡部位且靠近人孔短軸處（見(jiàn)圖1）。泄漏部位在端蓋內(nèi)側(cè)面的金屬呈暗黑色，表面氧化嚴(yán)重，清除缺陷部位表面污漬后，可以看到缺陷部位有許多縮孔和肉眼可見(jiàn)的彎曲且呈不規(guī)則形狀的裂紋，這些裂紋已貫穿各縮孔（見(jiàn)圖2），裂紋長(zhǎng)130mm。泄漏部位位于端蓋外側(cè)，可以看到在端蓋和軸頸的連接部位有一條圍繞著軸頸的肉眼可見(jiàn)裂紋，裂紋溝槽內(nèi)金屬原色清晰可見(jiàn)，尚無(wú)污漬，長(zhǎng)度約為四分之一所在軸頸的周長(zhǎng)（見(jiàn)圖3），裂紋彎曲且細(xì)?。ㄒ?jiàn)圖4）。因蒸汽已從該部位泄漏出來(lái)，可以推斷該裂紋已是穿透性裂紋。

圖1 烘缸內(nèi)側(cè)缺陷位置圖

圖2 烘缸內(nèi)側(cè)缺陷形貌圖

圖3 烘缸外側(cè)缺陷位置圖

圖4 烘缸外側(cè)缺陷形貌圖

2.2 設(shè)備運(yùn)行工況

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)給該烘缸供汽的蒸汽管道是經(jīng)減壓閥減壓至0.25MPa后再供汽給烘缸且減壓閥后的蒸汽管道上有裝設(shè)整定壓力為0.28MPa的校驗(yàn)合格安全閥和校驗(yàn)合格的壓力表。查看運(yùn)行記錄未發(fā)現(xiàn)有超壓超溫記錄，即該烘缸的運(yùn)行工況是工作壓力小于設(shè)計(jì)壓力，工作溫度低于設(shè)計(jì)溫度，實(shí)際運(yùn)行工況符合設(shè)計(jì)運(yùn)行工況。

3 泄漏產(chǎn)生原因分析

3.1 灰口鑄鐵HT200的特性

灰口鑄鐵用于制造烘缸具有：價(jià)格低、強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性強(qiáng)、熱傳導(dǎo)性高和抗磨損、耐腐蝕、易加工、可鑄造以及有良好的減振性、缺口敏感性小等優(yōu)點(diǎn)，故其廣泛用于制造烘缸。但灰口鑄鐵固有的缺點(diǎn)也使得用其制造出來(lái)的烘缸具有多缺陷、易失效等特點(diǎn)。其缺點(diǎn)主要有綜合機(jī)械性能低且受壁厚變化影響大、對(duì)冷卻速度敏感；因此，易在厚截面處形成疏松、縮孔和裂紋。鑄件截面厚度的變化，對(duì)其綜合機(jī)械性能也有影響?；铱阼T鐵鑄件當(dāng)壁厚超過(guò)其臨界值時(shí)，隨著壁厚的增加其綜合機(jī)械性能反而顯著降低。

3.2 泄漏部位材料的化學(xué)成份分析

鉆取泄漏部位的金屬材料進(jìn)行化學(xué)成份分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 泄漏部位的金屬材料化學(xué)成份分析結(jié)果

由上表可以看出，S元素含量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)推薦值8.6倍。S元素在灰口鑄鐵中與鐵形成硫化鐵（FeS），而后又形成低熔點(diǎn)（985℃）的（Fe+ FeS）共晶體，這種共晶體分布在晶粒的晶界上，造成鑄鐵的熱脆性；同時(shí)硫還促進(jìn)鑄鐵的鑄造性質(zhì)變壞，降低其流動(dòng)性，增加其收縮率并有形成較大裂紋的傾向。[1]

3.3 泄漏部位的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

泄漏位置為端蓋厚度最厚處且是截面厚度突變位置：該類(lèi)位置易產(chǎn)生應(yīng)力集中且在端蓋澆注—冷卻過(guò)程中因該位置壁厚最厚，具有凝固慢，溫度高，散熱慢，易發(fā)生縮孔、裂紋、氣孔等缺陷，往往是結(jié)構(gòu)的脆弱點(diǎn)。

3.4 泄漏部位的受力情況

靜載時(shí)泄漏部位是整個(gè)烘缸的應(yīng)力最高區(qū)：根據(jù)張煒等人運(yùn)用計(jì)算機(jī)有限元分析表明：端蓋與人孔的連接處是整個(gè)烘缸的應(yīng)力最高區(qū)，最容易發(fā)生疲勞斷裂破壞[2]。同時(shí)，該位置結(jié)構(gòu)上的變化也易導(dǎo)致應(yīng)力集中和多重應(yīng)力疊加。

工作時(shí)，端蓋不僅受到烘缸內(nèi)部的蒸汽壓力、轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)自身產(chǎn)生的離心力、作用于端蓋外緣由缸體轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力組成的徑向載荷以及端蓋轉(zhuǎn)動(dòng)中傳遞功率而產(chǎn)生的扭矩等產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，使端蓋部位一直在承受循環(huán)且變化的應(yīng)力。[3]

3.5 泄漏部位缺陷發(fā)展過(guò)程分析

該烘缸是正規(guī)制造廠生產(chǎn)，按照規(guī)范程序安裝，在耐壓試驗(yàn)合格后才投入運(yùn)行的設(shè)備，且在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行8天后才出現(xiàn)蒸汽泄漏現(xiàn)象。由此可以確定以下兩點(diǎn)：1、烘缸投用前端蓋是沒(méi)有泄漏的；2、端蓋的泄漏不是因?yàn)槌瑴爻瑝阂鸬摹?/p>

位于烘缸內(nèi)部的泄漏部位表面有縮孔、金屬表面嚴(yán)重氧化至暗黑色，裂紋彎曲且呈不規(guī)則的形狀，這些特征表明這些缺陷是由鑄造時(shí)產(chǎn)生的縮孔和熱裂紋，屬于鑄造遺留缺陷。位于端蓋外側(cè)的泄漏部位可以看到，在端蓋和軸頸的連接部位有一條圍繞著軸頸的肉眼可見(jiàn)裂紋，裂紋溝槽內(nèi)金屬原色清晰可見(jiàn)，尚無(wú)污漬，這表明該缺陷為新生缺陷。

綜合以上分析，造成該端蓋泄漏的原因是：由于端蓋鑄造時(shí)產(chǎn)生了縮孔和裂紋等鑄造缺陷，但這些缺陷還未穿透端蓋內(nèi)外表面，故在烘缸出廠檢驗(yàn)和安裝完畢后的水壓試驗(yàn)中沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)而被保留下來(lái)；當(dāng)烘缸投用后，使原本就處于高應(yīng)力區(qū)的泄漏部位因?yàn)橛锌s孔和裂紋的缺陷，而在高應(yīng)力區(qū)中又發(fā)生了應(yīng)力集中和應(yīng)力疊加的現(xiàn)象，這樣泄漏部位某些區(qū)域的應(yīng)力值可能超過(guò)其極限值，同時(shí)受到了烘缸工作時(shí)動(dòng)載荷下的交變循環(huán)應(yīng)力。在各類(lèi)應(yīng)力的疊加作用下，由縮孔和熱裂紋產(chǎn)生的裂紋源發(fā)生擴(kuò)展，發(fā)展成穿透性裂紋，導(dǎo)致斷裂失效，最終表現(xiàn)為泄漏。

4 缺陷處理

由于該端蓋已斷裂失效且穿透性裂紋長(zhǎng)度已達(dá)到四分之一所在軸頸的周長(zhǎng)，結(jié)合灰口鑄鐵HT200的材料特性與焊接性和實(shí)物化學(xué)成份特點(diǎn)，從安全、可靠、可行和經(jīng)濟(jì)多方考慮，最后建議使用單位找該烘缸制造廠家更換一個(gè)同型號(hào)合格的端蓋。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)這一起鑄鐵烘缸端蓋泄漏的原因分析可知，為提高烘缸的使用壽命、保障其安全可靠運(yùn)行，可從以下幾點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)。

（1）優(yōu)化設(shè)計(jì)方案：在用的大多數(shù)烘缸端蓋結(jié)構(gòu)和形狀特殊，國(guó)內(nèi)外到目前為止還沒(méi)有一個(gè)成熟、完整的理論可以直接用于端蓋的設(shè)計(jì)分析，但是對(duì)端蓋設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化的研究卻不少，其中不少已投入生產(chǎn)實(shí)踐，實(shí)踐表明改進(jìn)效果非常理想。如采用凸形端蓋、設(shè)置加強(qiáng)筋、用鋼制端蓋或鑄鋼端蓋代替鑄鐵端蓋、用球墨鑄鐵端蓋代替灰鑄鐵端蓋等。

（2）提升制造水平：烘缸制造單位應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)文件和制造工藝要求，精心組織，嚴(yán)格管控，確保成品符合要求，避免有制造缺陷的成品出廠。具體可從這幾個(gè)方面提升：①提升冶金質(zhì)量：根據(jù)材料特性和冶煉特點(diǎn)進(jìn)行周密考慮，采取有效措施，確保在鑄造后的產(chǎn)品在化學(xué)成份和組織上達(dá)到預(yù)定要求；②改進(jìn)鑄造工藝：根據(jù)材料的鑄造性質(zhì)、鑄件的工作條件和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、澆注系統(tǒng)的工作特點(diǎn)等因素綜合考慮，制定出合理的鑄造工藝，確保鑄造缺陷不留在鑄造成品上；③加強(qiáng)出廠檢驗(yàn)：制造單位應(yīng)該按照相關(guān)法規(guī)、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求，加強(qiáng)對(duì)出廠產(chǎn)品的檢驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)制造遺留缺陷，采取有效補(bǔ)救措施，避免問(wèn)題產(chǎn)品出廠。

（3）規(guī)范安裝行為：規(guī)范的安裝行為是設(shè)備能夠在設(shè)計(jì)環(huán)境下安全運(yùn)行的保障。

（4）加強(qiáng)使用管理：①建立健全安全管理制度，制定安全操作規(guī)程；②建立技術(shù)檔案，辦理使用登記，開(kāi)展安全檢查；③人員持證上崗，開(kāi)展安全教育，組織上崗前培訓(xùn)，對(duì)使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的異常情況應(yīng)及時(shí)匯報(bào)和處理；④落實(shí)自行檢查，實(shí)施年度檢查，配合定期檢驗(yàn)；⑤使用過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求的運(yùn)行工況運(yùn)行，嚴(yán)禁超壓、超溫。

[1]章春亮.鑄鐵烘缸應(yīng)力分析理論與強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法的研究[D].浙江大學(xué)博士學(xué)位論文.2002,7-8.

[2]張煒、王循明、祝勇仁. 造紙機(jī)烘缸整體有限元分析與強(qiáng)度評(píng)定[J].輕工機(jī)械.2008（1）：112.

[3] 羅佩，洪文健. 造紙機(jī)烘缸的強(qiáng)度計(jì)算[J]. 壓力容器.2000，(1)：51-53.

With Cast iron Dryer Cover Leakage Cause Analysis

CHEN Jin-Lan
(Fujian Special Equipment Inspection and Research Institute, Zhangzhou Branch, Zhangzhou 363000,Fujian,China)

This paper analyzes the reason and process of cast iron dryer cover leakage, and puts forward suggestions for improvement.

Cast iron dryer; Cover; Leak; Crackle

2015-04-13

陳金爛，男，福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院漳州分院，檢驗(yàn)員，助理工程師