基于損傷模式的造紙烘缸的檢驗(yàn)

楊英春

（宣城市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心，安徽 宣城 24200）

壓力容器在壓力、溫度和介質(zhì)共同作用下，會(huì)發(fā)生損傷，損傷的發(fā)展和積累將引發(fā)設(shè)備失效和安全事故，因此，損傷識(shí)別成為壓力容器定期檢驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)。造紙鑄鐵烘缸是易發(fā)事故特種設(shè)備，其安全性受到高度關(guān)注。由于灰口鑄鐵具有一定的強(qiáng)度、硬度，良好的鑄造性能、耐磨性能和較高的經(jīng)濟(jì)性，成為制造造紙烘缸的主要材料。但是灰口鑄鐵是脆性材料，無(wú)論是制造工藝、微觀組織還是機(jī)械性能，都顯著區(qū)別于一般的鋼制壓力容器，因此，造紙烘缸損傷的產(chǎn)生及其檢驗(yàn)檢測(cè)都存在顯著不同于一般鋼制壓力容器的特殊性，充分認(rèn)識(shí)這一特殊性，對(duì)保證造紙烘缸定期檢驗(yàn)結(jié)果的可靠性具有重要意義。

1 造紙烘缸的損傷模式

造紙鑄鐵烘缸的示意圖見(jiàn)圖1，主要的損傷模式是疲勞損傷、腐蝕減薄、應(yīng)力腐蝕、脆性斷裂。

圖1 烘缸結(jié)構(gòu)示意圖

（1）疲勞損傷。造紙烘缸在結(jié)構(gòu)不連續(xù)、表面不連續(xù)、鑄造缺陷等部位，不可避免地存在應(yīng)力集中，同時(shí)，造紙烘缸在運(yùn)行中不可避免地承受開(kāi)機(jī)、停機(jī)和壓力波動(dòng)等周期性載荷作用，不可避免地產(chǎn)生疲勞損傷而導(dǎo)致疲勞開(kāi)裂。

（2）腐蝕減薄。造紙烘缸在高溫潮濕的環(huán)境中運(yùn)行，其表面存在一層薄薄的水膜，大氣中的O2、CO2、SO2、NO2等氣體和紙漿經(jīng)過(guò)漂白、漂洗后殘存的含量較高的氯溶解在水膜中，而烘缸材質(zhì)為灰口鑄鐵，石墨呈片狀分布在鐵基體中，兩者構(gòu)成了呈現(xiàn)酸性環(huán)境的電化學(xué)腐蝕環(huán)境，使烘缸表面遭受腐蝕減薄。

（3）應(yīng)力腐蝕。烘缸在運(yùn)行中承載壓力和溫度，使得烘缸表面呈現(xiàn)拉應(yīng)力，在電化學(xué)腐蝕環(huán)境下中，發(fā)生應(yīng)力腐蝕，引發(fā)裂紋和裂紋擴(kuò)展。

（4）脆性斷裂。烘缸在鑄造過(guò)程中，由于鐵液冷卻、凝固、收縮的先后不同，而產(chǎn)生氣孔、縮孔、縮松和鑄造裂紋等缺陷和鑄造殘余應(yīng)力。冷卻后的鑄態(tài)組織不僅晶粒粗大，而且鐵基體中分布著片狀的石墨，割斷了基體的連續(xù)性，使烘缸表現(xiàn)出明顯脆性，易于在鑄造缺陷最集中的部位發(fā)生脆性斷裂。

2 烘缸的檢測(cè)方法

（1）宏觀檢驗(yàn)。也稱目視檢驗(yàn)，工具為電筒、直尺和5倍放大鏡，檢驗(yàn)內(nèi)容包括材質(zhì)檢查、結(jié)構(gòu)檢查、幾何尺寸檢查和表面缺陷檢查，核查烘缸材質(zhì)是否清楚并滿足設(shè)計(jì)文件要求，檢查烘缸結(jié)構(gòu)尺寸是否合理，過(guò)度部位的過(guò)度圓角是否不低于最小規(guī)定值，是否存在嚴(yán)重的腐蝕和剝落，內(nèi)外表面是否存在宏觀裂紋，虹吸管的虹吸功能是否正常，鉚補(bǔ)孔的直徑、鉚補(bǔ)的深度（必要時(shí)按3.2節(jié)測(cè)厚）和鉚補(bǔ)孔的分布是否符合制造標(biāo)準(zhǔn)要求，是否存在超壓運(yùn)行，安全附件是否齊全有效等，了解烘缸的日常管理和運(yùn)行狀況。

（2）壁厚測(cè)定。由于灰口鑄鐵透聲性不強(qiáng)，致使超聲測(cè)厚實(shí)施很困難，超聲波測(cè)厚儀發(fā)射功率有限，超聲波測(cè)厚儀探頭不僅頻率高，而且探頭直徑小，這些特點(diǎn)都不適宜對(duì)透聲性不強(qiáng)的粗晶鑄態(tài)構(gòu)件進(jìn)行壁厚測(cè)定。但是腐蝕減薄是烘缸重要的損傷模式，剩余壁厚是評(píng)價(jià)烘缸安全性能必要的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，過(guò)去曾采用測(cè)量烘缸內(nèi)外直徑的辦法測(cè)量烘缸缸體壁厚，但是這個(gè)辦法不僅實(shí)施困難，而且測(cè)量的數(shù)據(jù)僅是與卡尺兩端接觸點(diǎn)缸體的壁厚和，無(wú)法分別得到兩端各點(diǎn)的厚度值。數(shù)字超聲檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展為鑄鐵烘缸超聲測(cè)厚成為可能，數(shù)字超聲探傷儀器不僅發(fā)射功能強(qiáng)大，而且可以配備大直徑低頻探頭，避免了粗大的鑄態(tài)組織的不利影響。一般采用1～1.5MHz直徑不低于24mm的低頻直探頭或雙晶直探頭，用游標(biāo)卡尺對(duì)缸體端部某一部位測(cè)量三次，取平均值，作為儀器時(shí)基線調(diào)整的基準(zhǔn)厚度，然后在游標(biāo)卡尺測(cè)量部位采用二次底波法對(duì)儀器的時(shí)基線進(jìn)行調(diào)整，并將一次底波調(diào)整到儀器屏幕的80%部位，一次底波波高調(diào)整到滿屏的80%高度，然后進(jìn)行測(cè)厚。與傳統(tǒng)測(cè)厚儀測(cè)厚有所不同的是，超聲波探傷儀測(cè)厚系統(tǒng)可以采用掃查方式進(jìn)行連續(xù)測(cè)厚，既可以沿母線連續(xù)測(cè)厚，也可以以所選點(diǎn)為圓心，在適當(dāng)?shù)陌霃椒秶鷥?nèi)進(jìn)行連續(xù)測(cè)厚，可以連續(xù)獲得厚度值，測(cè)厚效果明顯優(yōu)于超聲波測(cè)厚儀測(cè)厚。

缸蓋測(cè)厚一般在缸蓋的法蘭邊緣和和人手孔蓋邊緣等有代表性部位進(jìn)行檢測(cè)。缸體測(cè)厚應(yīng)避開(kāi)缸體端部的過(guò)渡區(qū)域，為檢測(cè)整個(gè)缸體周向是否存在不均勻減薄，測(cè)厚至少應(yīng)在相隔90℃的四條母線上進(jìn)行。為檢測(cè)整條母線是否存在不均勻減薄，建議除端部過(guò)渡區(qū)域等非檢測(cè)區(qū)域以外，每條母線至少均布檢測(cè)6點(diǎn)厚度值。此外，在測(cè)厚掃查中發(fā)現(xiàn)缺陷波和底波異常部位應(yīng)按照3.5節(jié)要求進(jìn)一步進(jìn)行超聲波探傷。

（3）硬度檢測(cè)。在用烘缸由于腐蝕磨損會(huì)減薄，出于滿足造紙工藝的光潔度的需要，會(huì)對(duì)缸面進(jìn)行適當(dāng)?shù)哪ハ?，也?huì)使缸體減薄。由于烘缸鑄造時(shí)各點(diǎn)冷凝速度的不同，冷凝后力學(xué)性能也存在差異，往往缸體的表面硬度最高，隨著缸體減薄量的增加缸面硬度會(huì)逐步降低。缸面的硬度不僅對(duì)紙張質(zhì)量產(chǎn)生影響，當(dāng)硬度不足會(huì)降低紙張表面質(zhì)量，而且硬度降低還表明烘缸材料強(qiáng)度在下降，由此可見(jiàn)，隨著缸體減薄量的增加，缸體的力學(xué)性能存在劣化傾向。因此，定期檢驗(yàn)時(shí)對(duì)烘缸缸面進(jìn)行硬度檢測(cè)是必要的。硬度檢測(cè)選擇在距離缸體端面80～100mm的區(qū)域進(jìn)行，每端各測(cè)兩點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的表面光潔度應(yīng)達(dá)到2μm，每點(diǎn)測(cè)5次，取平均值作為改該點(diǎn)的硬度值，缸面兩端硬度值差值不得大于HB24，將四點(diǎn)硬度值的算術(shù)平均值作為缸面硬度?，F(xiàn)行缸面硬度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為QB2661《造紙機(jī)械用鑄鐵烘缸技術(shù)條件》，但是QB2661是制造驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)在用烘缸，經(jīng)常出現(xiàn)不能滿足QB2661要求的情況。對(duì)于硬度達(dá)不到QB2661要求的在用烘缸是否繼續(xù)使用是檢驗(yàn)人員必須要面臨的抉擇。合于使用是在用設(shè)備安全狀況等級(jí)評(píng)定的基本原則，基于該原則，可以參照以下要求評(píng)定硬度不能滿足QB2661標(biāo)準(zhǔn)要求的烘缸的安全狀況。

對(duì)于灰口鑄鐵，其強(qiáng)度和硬度存在以下關(guān)系:

式中：HBW為布氏硬度；Rm為抗拉強(qiáng)度；

A=100；

B=0.44；

RH為相對(duì)硬度，RH=0.8～1.2。

取RH=0.8，并將A、B和Rm代入（1）式得：

將測(cè)得的布氏硬度值代入（2）式得到Rm值，當(dāng)Rm大于等于8.3倍許用應(yīng)力，表明缸體仍具有足夠的安全性，可以繼續(xù)使用，表1給出了基于安全系數(shù)為8.3時(shí)按照（2）式計(jì)算出的各種牌號(hào)灰口鑄鐵HBW最小值。

表1 測(cè)量硬度值對(duì)應(yīng)的布氏硬度（HBW）最小值

（4）表面探傷。表面探傷可以有效發(fā)現(xiàn)疲勞開(kāi)裂和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，成為檢測(cè)烘缸的重要的探傷方式之一。在進(jìn)行表面探傷時(shí)，應(yīng)對(duì)受檢表面鐵銹等氧化物進(jìn)行清理打磨，使表面質(zhì)量符合檢測(cè)要求。表面探傷重點(diǎn)檢測(cè)缸體缸蓋結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域和宏觀檢查可疑部位，表面探傷在條件允許的情況下應(yīng)首選靈敏度較高的磁粉探傷，如果能營(yíng)造昏暗的檢測(cè)環(huán)境，還應(yīng)選擇靈敏度更高的熒光磁粉。

（5）超聲探傷。超聲探傷可以對(duì)構(gòu)件內(nèi)部缺陷和不能接近的內(nèi)側(cè)表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)，可以對(duì)無(wú)人孔烘缸內(nèi)側(cè)表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)，還可以對(duì)表面裂紋高度進(jìn)行測(cè)量，因此超聲探傷是檢測(cè)烘缸的另一種重要探傷方式。超聲探傷的重點(diǎn)同樣是缸體內(nèi)壁結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位。由于灰口鑄鐵透聲性差，正常的橫波技術(shù)難以實(shí)施，只能采用波長(zhǎng)較長(zhǎng)的低頻縱波探傷技術(shù)，又由于烘缸在用過(guò)程中引發(fā)諸如疲勞裂紋等缺陷一般垂直于缸體表面，不宜選用直探頭進(jìn)行檢測(cè)，因此推薦采用1MHzK1的低頻縱波斜探頭，在CSK-ⅠA試塊上測(cè)量探頭的入射角，在相同材質(zhì)制造的CSK-ⅡA試塊校正探頭K值、掃描時(shí)基線和檢測(cè)靈敏度，采用φ2長(zhǎng)橫孔距離-波幅曲線作為檢測(cè)靈敏度，如果噪聲較低，可適當(dāng)提高檢測(cè)靈敏度。檢測(cè)時(shí)，探頭沿平行于缸體母線的兩個(gè)方向?qū)Ω左w內(nèi)壁結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位和其他可疑部位進(jìn)行100%掃查，一旦發(fā)現(xiàn)高于噪聲的異常信號(hào)，應(yīng)采用前后、左右、轉(zhuǎn)角、環(huán)繞等掃查方式，必要時(shí)增加不同折射角（折射角差大于15度）的縱波斜探頭進(jìn)行補(bǔ)充掃查，以區(qū)分異常信號(hào)的真?zhèn)?，確定缺陷的性質(zhì)及缺陷的位置、形狀和方向。為提高缺陷定量精度，可采用聚焦縱波斜探頭精確測(cè)量缺陷的宏觀尺寸（高度和長(zhǎng)度）。對(duì)于缸體其他可疑部位可按照100×100格子線，采用直探頭以缸體無(wú)缺陷的底波高度和次數(shù)作為檢測(cè)靈敏度進(jìn)行檢測(cè)。

（6）缺陷的安全評(píng)定。迄今為止，對(duì)于鑄鐵壓力容器尚沒(méi)有缺陷評(píng)定規(guī)范，研究表明，造紙鑄鐵烘缸缺陷安全評(píng)定可以采用斷裂力學(xué)方法，只要應(yīng)力強(qiáng)度因子KI小于斷裂韌度KIC，裂紋就處于穩(wěn)定狀態(tài)，即滿足下式造紙鑄鐵烘缸就處于安全狀況：

式（3）中KI在GB/T19624《含缺陷壓力容器安全評(píng)定》附錄D給出了計(jì)算規(guī)則，所需要的裂紋宏觀尺寸由磁粉探傷和超聲探傷得出。基于灰口鑄鐵為脆性材料，推薦安全系數(shù)n取10。斷裂韌度KIC的試樣一般在同材質(zhì)報(bào)廢烘缸完好部位截取，試樣制備和試驗(yàn)按照GB/T4161《金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度KIC試驗(yàn)方法》進(jìn)行，一般采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)定。需要特別說(shuō)明的是，當(dāng)KI滿足（3）式，烘缸的安全等級(jí)可以確定為3級(jí)；當(dāng)滿足n=8～10時(shí)，定為4級(jí)，監(jiān)控使用，否則定位為5級(jí)，停止使用。

3 結(jié)語(yǔ)

定期檢驗(yàn)是保障烘缸安全運(yùn)行的重要手段，基于損傷模式的檢驗(yàn)?zāi)Ｊ降亩ㄆ跈z驗(yàn)可以全面快速的檢測(cè)烘缸在運(yùn)行中產(chǎn)生的各種缺陷，檢驗(yàn)針對(duì)性強(qiáng)，大大的提高了烘缸定期檢驗(yàn)的效率和檢驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

[1]質(zhì)檢總局辦公廳關(guān)于加強(qiáng)小型鍋爐、快開(kāi)門(mén)式壓力容器和烘缸（筒）安全監(jiān)察工作的通知.（質(zhì)檢辦特〔2013〕338號(hào) ）[S].http://tzsbaqjcj.aqsiq.gov.cn/tzwj/bgtwh/201305/t20130506_355592.htm.2013,(4);28.

[2]GB/T9439-2010,灰鑄鐵件[S].

[3]盛水平，陳海云等.鑄鐵烘缸強(qiáng)度和硬度關(guān)系的探討[J].中國(guó)造紙,2008,27（9）：70-72.

[4]N/T47013.3-2015,承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)[S].

[5]王應(yīng)植，馬歆等.進(jìn)口紙機(jī)鑄鐵烘缸的安全評(píng)定[J].壓力容器,2009,26（1）：37-42.

[6]黃雪坤，王志文等.在用鑄鐵烘缸缺陷評(píng)定方法的研究與工程實(shí)踐[J].化工機(jī)械,1995,（4）：47-51.