懸臂式煤氣加壓機(jī)蝸殼開(kāi)裂故障研究

吳松林

（1.衡陽(yáng)華菱鋼管有限公司，湖南衡陽(yáng) 421001；2.南華大學(xué)，湖南衡陽(yáng) 421001）

0 引言

衡陽(yáng)華菱鋼管有限公司（以下簡(jiǎn)稱華菱衡鋼）有4 臺(tái)AI770型懸臂式煤氣加壓機(jī)，負(fù)責(zé)全公司高爐煤氣的加壓及轉(zhuǎn)供，其運(yùn)行狀況直接影響著各工業(yè)爐的正常運(yùn)行。蝸殼（又稱氣缸體）開(kāi)裂是影響煤氣加壓機(jī)穩(wěn)定及安全運(yùn)行的一項(xiàng)重大隱患，因此通過(guò)分析AI770 型懸臂式煤氣加壓機(jī)蝸殼開(kāi)裂的各類原因，提出相應(yīng)的處理方法。

1 AI770 型懸臂式煤氣加壓機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)參數(shù)

該加壓機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有4 個(gè)，分別是：

（1）加壓機(jī)為單級(jí)懸臂離心式結(jié)構(gòu)，使用電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器直聯(lián)驅(qū)動(dòng)。

（2）蝸殼由鑄鐵制成，材料為灰口鑄鐵HT250，氣缸體沿軸線水平中分面分成上、下兩部分，通過(guò)螺栓固定在軸承箱上[1]。

（3）主軸采用高強(qiáng)度合金鋼鍛件，軸承箱用鑄鐵制成，沿軸線水平中分面分成上、下兩部分。

（4）油密封采用迷宮密封，氣密封采用組合式密封：迷宮密封+氮?dú)猓∟2）密封，氮?dú)鈮毫?.15～0.2 MPa。

煤氣加壓機(jī)的介質(zhì)為高爐煤氣，其他技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤氣加壓機(jī)的技術(shù)參數(shù)

2 蝸殼開(kāi)裂原因分析

2.1 疲勞破壞

（1）現(xiàn)象。2019 年9 月，2#煤氣加壓機(jī)附近固定式CO 煤氣報(bào)警儀報(bào)警，相關(guān)人員攜便攜式CO 報(bào)警儀到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)2#機(jī)下蝸殼處有大量煤氣泄漏。停機(jī)后檢查發(fā)現(xiàn)，機(jī)組下蝸殼法蘭與蝸殼面連接處出現(xiàn)裂紋（圖1）。

圖1 2#加壓機(jī)蝸殼法蘭與蝸殼連接處產(chǎn)生疲勞裂紋

（2）原因分析。鑄鐵材料的蝸殼在熱疲勞[2]和機(jī)械疲勞[3]共同作用下，應(yīng)力應(yīng)變較大的區(qū)域易發(fā)生多源疲勞開(kāi)裂，疲勞裂紋多發(fā)生在應(yīng)力最大和疲勞特性最薄弱的部位[4]。因鑄鐵的性能對(duì)壁厚較敏感[5]，易使該處組織疏松，石墨粗大，硬度低，當(dāng)這些部位的厚度與周?chē)B接壁相差過(guò)大時(shí)易產(chǎn)生裂紋等缺陷。疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展也是疲勞破壞產(chǎn)生的過(guò)程，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸時(shí)可能會(huì)發(fā)生突然斷裂。

AI770 型煤氣加壓機(jī)未配備專用的氣道冷卻設(shè)施，因此進(jìn)出口溫度溫差較大，進(jìn)出口溫差最高時(shí)可超過(guò)50 ℃。首先，煤氣加壓機(jī)的進(jìn)出口的溫度變化與原料氣——高爐煤氣溫度的變化密切相關(guān)。高爐煤氣的進(jìn)口溫度一般在50 ℃左右，但其受高爐爐況的影響較大，如高爐爐況不穩(wěn)定，溫度可達(dá)100 ℃以上。因此，煤氣加壓機(jī)受到了一定的熱負(fù)荷，且熱負(fù)荷的波動(dòng)較大。其次，由于煤氣加壓機(jī)的結(jié)構(gòu)為懸臂式、單支撐結(jié)構(gòu)，整個(gè)葉輪只有電機(jī)側(cè)一端有支撐，受高速旋轉(zhuǎn)的葉輪（轉(zhuǎn)速2980 r/min）、氣流變化或沖擊等會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。最后，經(jīng)測(cè)量該煤氣加壓機(jī)蝸殼的厚度為16 mm，而與之相接觸的法蘭厚度為40 mm，因鑄鐵的性能對(duì)壁厚具有敏感性，厚度與周?chē)B接壁相差過(guò)大時(shí)易產(chǎn)生裂紋。

因此，綜合熱負(fù)荷、振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械負(fù)荷以及鑄鐵對(duì)壁厚的敏感性等因素，造成了2#加壓機(jī)下蝸殼法蘭與蝸殼連接處產(chǎn)生裂紋。

2.2 水平法蘭面變形

（1）現(xiàn)象。2018 年12 月，1#煤氣加壓機(jī)大修，當(dāng)拆除加壓機(jī)上蝸殼后，發(fā)現(xiàn)上蝸殼水平法蘭面內(nèi)側(cè)螺栓孔處有裂紋（圖2）。而且將該蝸殼送至水平檢測(cè)平臺(tái)上檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，上蝸殼法蘭面有變形，即法蘭面產(chǎn)生了一定的擾度，且裂紋產(chǎn)生處的擾度最大。

圖2 1#加壓機(jī)上蝸殼平面法蘭螺栓孔處裂紋

（2）原因分析。鑄鐵變形[6]時(shí)有發(fā)生，這是由于鑄件冷卻速度不均勻等原因而產(chǎn)生了鑄造應(yīng)力。鑄件冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的鑄造應(yīng)力如超過(guò)合金在該溫度下的屈服強(qiáng)度，則產(chǎn)生殘留變形；如在彈性強(qiáng)度范圍內(nèi)，就表現(xiàn)為殘留應(yīng)力，則可能改變?cè)O(shè)計(jì)強(qiáng)度，甚至使鑄件在存放或使用過(guò)程中發(fā)生變形。因而，蝸殼的水平法蘭平面可能因鑄造應(yīng)力產(chǎn)生變形，即法蘭面兩端翹起，中間拱（凸）起或扭變翹曲。蝸殼上、下法蘭面上、下法蘭是用螺栓壓緊固定，由于撓度或反擾度的存在，當(dāng)蝸殼拆卸后再次安裝時(shí)存在撓度的法蘭面會(huì)受到較大的外部壓力或拉力，蝸殼經(jīng)過(guò)多次重復(fù)拆裝，法蘭面受到多次外部的壓力和拉力，當(dāng)外力超過(guò)其自身的屈服強(qiáng)度時(shí)易導(dǎo)致法蘭面開(kāi)裂[7]。

2.3 鑄造缺陷

2.3.1 模具缺陷

（1）現(xiàn)象。2020 年5 月，2#煤氣加壓機(jī)更換全新鑄造的上、下蝸殼，進(jìn)行首次拆機(jī)維保。在所有緊固螺栓拆除后，并用頂桿螺絲將上下蝸殼法蘭面已分離，將吊索掛在上蝸殼內(nèi)外兩側(cè)吊耳上后，通過(guò)電動(dòng)葫蘆起吊，上蝸殼剛起吊約20 mm 后外側(cè)吊耳突然斷裂（圖3）。

（2）原因分析。蝸殼為鑄造件，鑄造模具存在缺陷或問(wèn)題，易造成蝸殼厚度不均勻，蝸殼在拆卸或吊裝過(guò)程中，厚度較薄的部分可承受的外力較設(shè)計(jì)小，吊裝時(shí)易出現(xiàn)裂紋，甚至斷裂。從圖3 可知，吊耳蝸殼面的上、下面厚度不均勻，左側(cè)明顯偏薄，該斷裂面最薄處僅為5 mm，而設(shè)計(jì)厚度為16 mm。并且，該壁厚薄弱處位于吊耳下方位，起吊過(guò)程中該處受到向上的拉力，因其可承受的外力較設(shè)計(jì)小，造成起吊過(guò)程中吊耳斷裂。

圖3 蝸殼吊耳斷裂

2.3.2 工藝缺陷

（1）現(xiàn)象。對(duì)斷裂的2#煤氣加壓機(jī)新更換上蝸殼后進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)蝸殼內(nèi)側(cè)表面有許多細(xì)小孔洞，且最大的孔直徑超過(guò)10 mm，孔洞周邊有細(xì)小縫隙（圖4）。

圖4 蝸殼內(nèi)表面有細(xì)小孔洞及縫隙

（2）原因分析。蝸殼鑄造過(guò)程中，氣體在金屬中的溶解和析出是一個(gè)可逆過(guò)程，隨著溫度的增高，氣體的溶解度增大；溫度降低，氣體溶解度減少，析出量增大。氣體外界分壓力降低時(shí)，氣體在金屬中的溶解度降低，氣體將析出。如果氣泡不能逸出金屬液表面，則將在金屬內(nèi)部形成氣孔，氣孔減少了蝸殼的有效截面積，易使局部造成應(yīng)力集中，形成裂紋源[8]。

2.3.3 材料缺陷

（1）現(xiàn)象。對(duì)新蝸殼內(nèi)外表面進(jìn)行磁粉探傷，發(fā)現(xiàn)蝸殼內(nèi)部有多處裂紋。因該蝸殼為更換的新蝸殼，裂紋不應(yīng)為疲勞等原因產(chǎn)生（圖5）。

圖5 新更換的蝸殼內(nèi)表面有裂紋

（2）原因分析。灰鑄鐵的化學(xué)成分由兩部分組成：一是基本成分，即C、Si、Mn、P、S 五大元素，其中起決定性作用的是C、Si 的含量；二是根據(jù)需要，加入少量的合金元素，如Cu、Cr、Mo、Ni、Sb、Sn 等。對(duì)2#煤氣加壓機(jī)新蝸殼取樣進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 2#煤氣加壓機(jī)新蝸殼與HT250 灰鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)成分對(duì)比

由表1 可知，2#煤氣加壓機(jī)新蝸殼中的C（碳）含量達(dá)到了4.13%，超出標(biāo)準(zhǔn)含量上限值3.3%、約25%。鑄鐵中C 的含量對(duì)其力學(xué)性能起著決定性作用，含碳量過(guò)高，在鑄件表層凝固結(jié)殼后心部的液態(tài)金屬繼續(xù)結(jié)晶產(chǎn)生石墨化膨脹，當(dāng)膨脹引起的應(yīng)力超過(guò)殼體的抗拉強(qiáng)度，將會(huì)造成蝸殼產(chǎn)生裂紋[9]。

Mn（錳）是鑄鐵中穩(wěn)定滲碳體與促使珠光體化的元素。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，Mn 含量對(duì)灰鑄鐵屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有著明顯影響，隨著Mn 含量的逐步升高，HT250 的屈服強(qiáng)度σs、抗拉強(qiáng)度σb和表面硬度HB 逐步提升后，在Mn 含量約1.1%時(shí)HT250 型灰鑄鐵力學(xué)性能最佳（表3）。

表3 Mn 含量對(duì)HT250 機(jī)械性能的影響[10]

由表2 可知，新蝸殼中Mn 含量偏低，僅為標(biāo)準(zhǔn)含量下限值的46%，導(dǎo)致蝸殼的抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能偏低，在受到外力作用時(shí)易產(chǎn)生裂紋或斷裂。

2.4 拆卸不規(guī)范

（1）現(xiàn)象。2019 年7 月，4#煤氣加壓機(jī)正常停機(jī)后，拆上蝸殼對(duì)機(jī)組進(jìn)行維保，拆機(jī)前對(duì)上下蝸殼進(jìn)行全面檢查，未發(fā)現(xiàn)有裂紋。當(dāng)上蝸殼吊出平放在地板上后，發(fā)現(xiàn)蝸殼水平法蘭面一側(cè)的一個(gè)角出現(xiàn)裂紋（圖6）。

圖6 4#煤氣加壓機(jī)法蘭角出裂紋

（2）原因分析。該類型蝸殼厚度約為16 mm，直徑1.5 m，重達(dá)1.5 t 以上。在拆卸過(guò)程中，由于吊裝不規(guī)范，導(dǎo)致起吊過(guò)程中蝸殼的水平法蘭面一側(cè)處于；蝸殼起吊后下落過(guò)程中，因操作不當(dāng)起重設(shè)備下降速度過(guò)快，在蝸殼自重的作用下，在蝸殼接觸混凝土地面的過(guò)程中，偏低一側(cè)的法蘭角重重的砸向地板、受到較大沖擊。沖擊力如果超過(guò)蝸殼的屈服強(qiáng)度，蝸殼將會(huì)產(chǎn)生裂紋甚至斷裂。

3 裂紋處理

煤氣加壓機(jī)蝸殼成本較高、制造周期長(zhǎng)，一般情況下蝸殼出現(xiàn)裂紋時(shí)不會(huì)立即進(jìn)行報(bào)廢。為節(jié)約成本，縮短檢修周期，可通過(guò)一定的方法對(duì)有裂紋或開(kāi)裂的蝸殼進(jìn)行修復(fù)，使其繼續(xù)滿足使用功能。常用的蝸殼裂紋修復(fù)方法有3 種，分別是冷補(bǔ)修復(fù)、焊接修復(fù)、冷補(bǔ)+焊接修復(fù)。

3.1 冷補(bǔ)修復(fù)

冷補(bǔ)修復(fù)是通過(guò)密封膠或粘膠劑，按照一定的工藝流程和處理方法，將裂紋或裂縫進(jìn)行封堵[11]，避免煤氣從裂紋或裂縫中泄漏（圖7）。冷補(bǔ)修復(fù)方式的優(yōu)缺點(diǎn)分析如下。

圖7 加壓機(jī)下蝸殼冷補(bǔ)修復(fù)點(diǎn)

（1）優(yōu)點(diǎn)：冷補(bǔ)修復(fù)操作相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)需拆除蝸殼，勞動(dòng)強(qiáng)度低，對(duì)作業(yè)人員技術(shù)水平要求相對(duì)較低；修復(fù)后密封性較好，不易造成煤氣泄漏。

（2）不足：無(wú)法修復(fù)裂縫較大或者斷裂的蝸殼，修復(fù)點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度低，不適用于受外力大、振動(dòng)大的部位，且冷焊密封膠凝固的時(shí)間較長(zhǎng)。

此方式適用于蝸殼鑄件裂縫較小、封堵點(diǎn)不常拆卸、振動(dòng)小、受外力的較小部位。

3.2 焊接修復(fù)

焊接修復(fù)是利用電弧焊或其他類型焊機(jī)，按照一定的工藝流程，通過(guò)焊接的方式將裂縫或斷裂的蝸殼進(jìn)行修復(fù)[12]，使蝸殼恢復(fù)使用功能（圖8）。焊接修復(fù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析如下。

圖8 加壓機(jī)上蝸殼裂縫焊接修復(fù)

（1）優(yōu)點(diǎn)：焊接修復(fù)機(jī)械強(qiáng)度高，適用于受外力相對(duì)大、振動(dòng)大的部位；修復(fù)后的耐久度較好，可用于需經(jīng)常拆卸的部位。

（2）缺點(diǎn)：對(duì)焊接人員技術(shù)要求，如焊接順序、各個(gè)階段焊機(jī)電流大小的控制等；焊接工藝較復(fù)雜，如對(duì)焊件的加熱溫度控制、焊接完畢后的保溫時(shí)間等要求較高[13]。

此方式適用于蝸殼斷裂或裂縫較大的部位，修復(fù)點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度要求高，振動(dòng)較大或需經(jīng)常拆卸的部位。

3.3 焊接+冷補(bǔ)修復(fù)

此修復(fù)方法結(jié)合了焊接修復(fù)和冷補(bǔ)修復(fù)方式，即通過(guò)焊接方式將較大的裂紋或斷裂部位進(jìn)行初修復(fù)，通過(guò)焊接恢復(fù)裂紋及斷裂部位一定的機(jī)械性能；通過(guò)冷補(bǔ)修復(fù)，將焊接點(diǎn)周邊細(xì)小的裂紋或裂縫進(jìn)行精修復(fù)，確保修復(fù)件的密封性良好，避免煤氣泄漏（圖9）。該修復(fù)方式的優(yōu)缺點(diǎn)分析如下。

圖9 加壓機(jī)上蝸殼吊耳斷裂焊接修復(fù)+冷補(bǔ)修復(fù)

（1）優(yōu)點(diǎn)：此種蝸殼修復(fù)方法具有較好的機(jī)械性能，適用于受外力較大、振動(dòng)大、需拆卸的部位；且修復(fù)后的密封性較好，不易造成煤氣泄漏。

（2）缺點(diǎn)：此種修復(fù)方法的工藝復(fù)雜、流程較長(zhǎng)、修復(fù)的時(shí)間長(zhǎng)。對(duì)焊接人員的水平要求較高，而且冷補(bǔ)修復(fù)后的凝固時(shí)間也需要較長(zhǎng)。

4 總結(jié)

（1）蝸殼為鑄鐵材料的懸臂式煤氣加壓機(jī)在使用和運(yùn)行過(guò)程中，蝸殼產(chǎn)生裂紋的原因主要有疲勞破壞、鑄件變形、鑄造缺陷、拆卸問(wèn)題等。其中，疲勞破壞、鑄件變形破壞常發(fā)生在蝸殼使用較長(zhǎng)一段時(shí)間后；鑄造缺陷產(chǎn)生的裂紋或破壞一般發(fā)生在蝸殼投運(yùn)初期；拆卸不規(guī)范造成的裂紋與作業(yè)人員的技能水平有直接關(guān)系。

（2）鑄鐵材料的蝸殼開(kāi)裂常用的修復(fù)方法有冷補(bǔ)修復(fù)、焊接修復(fù)以及冷補(bǔ)+焊接修復(fù)3 種方式。其中，裂紋小、受力小的部位可采用冷補(bǔ)修復(fù)；裂紋大、受力大的部位可采用焊接修復(fù)的方法；冷補(bǔ)+焊接修復(fù)效果最好，但作業(yè)要求最高、時(shí)間最長(zhǎng)。