基于損傷模式的造紙烘缸的檢驗

楊英春

（宣城市特種設備監督檢驗中心，安徽 宣城 24200）

壓力容器在壓力、溫度和介質共同作用下，會發生損傷，損傷的發展和積累將引發設備失效和安全事故，因此，損傷識別成為壓力容器定期檢驗關鍵技術。造紙鑄鐵烘缸是易發事故特種設備，其安全性受到高度關注。由于灰口鑄鐵具有一定的強度、硬度，良好的鑄造性能、耐磨性能和較高的經濟性，成為制造造紙烘缸的主要材料。但是灰口鑄鐵是脆性材料，無論是制造工藝、微觀組織還是機械性能，都顯著區別于一般的鋼制壓力容器，因此，造紙烘缸損傷的產生及其檢驗檢測都存在顯著不同于一般鋼制壓力容器的特殊性，充分認識這一特殊性，對保證造紙烘缸定期檢驗結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圖1，主要的損傷模式是疲勞損傷、腐蝕減薄、應力腐蝕、脆性斷裂。

圖1 烘缸結構示意圖

（1）疲勞損傷。造紙烘缸在結構不連續、表面不連續、鑄造缺陷等部位，不可避免地存在應力集中，同時，造紙烘缸在運行中不可避免地承受開機、停機和壓力波動等周期性載荷作用，不可避免地產生疲勞損傷而導致疲勞開裂。

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

（3）應力腐蝕。烘缸在運行中承載壓力和溫度，使得烘缸表面呈現拉應力，在電化學腐蝕環境下中，發生應力腐蝕，引發裂紋和裂紋擴展。

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

2 烘缸的檢測方法

（1）宏觀檢驗。也稱目視檢驗，工具為電筒、直尺和5倍放大鏡，檢驗內容包括材質檢查、結構檢查、幾何尺寸檢查和表面缺陷檢查，核查烘缸材質是否清楚并滿足設計文件要求，檢查烘缸結構尺寸是否合理，過度部位的過度圓角是否不低于最小規定值，是否存在嚴重的腐蝕和剝落，內外表面是否存在宏觀裂紋，虹吸管的虹吸功能是否正常，鉚補孔的直徑、鉚補的深度（必要時按3.2節測厚）和鉚補孔的分布是否符合制造標準要求，是否存在超壓運行，安全附件是否齊全有效等，了解烘缸的日常管理和運行狀況。

（2）壁厚測定。由于灰口鑄鐵透聲性不強，致使超聲測厚實施很困難，超聲波測厚儀發射功率有限，超聲波測厚儀探頭不僅頻率高，而且探頭直徑小，這些特點都不適宜對透聲性不強的粗晶鑄態構件進行壁厚測定。但是腐蝕減薄是烘缸重要的損傷模式，剩余壁厚是評價烘缸安全性能必要的基礎性數據，過去曾采用測量烘缸內外直徑的辦法測量烘缸缸體壁厚，但是這個辦法不僅實施困難，而且測量的數據僅是與卡尺兩端接觸點缸體的壁厚和，無法分別得到兩端各點的厚度值。數字超聲檢測技術的發展為鑄鐵烘缸超聲測厚成為可能，數字超聲探傷儀器不僅發射功能強大，而且可以配備大直徑低頻探頭，避免了粗大的鑄態組織的不利影響。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，用游標卡尺對缸體端部某一部位測量三次，取平均值，作為儀器時基線調整的基準厚度，然后在游標卡尺測量部位采用二次底波法對儀器的時基線進行調整，并將一次底波調整到儀器屏幕的80%部位，一次底波波高調整到滿屏的80%高度，然后進行測厚。與傳統測厚儀測厚有所不同的是，超聲波探傷儀測厚系統可以采用掃查方式進行連續測厚，既可以沿母線連續測厚，也可以以所選點為圓心，在適當的半徑范圍內進行連續測厚，可以連續獲得厚度值，測厚效果明顯優于超聲波測厚儀測厚。

缸蓋測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行檢測。缸體測厚應避開缸體端部的過渡區域，為檢測整個缸體周向是否存在不均勻減薄，測厚至少應在相隔90℃的四條母線上進行。為檢測整條母線是否存在不均勻減薄，建議除端部過渡區域等非檢測區域以外，每條母線至少均布檢測6點厚度值。此外，在測厚掃查中發現缺陷波和底波異常部位應按照3.5節要求進一步進行超聲波探傷。

（3）硬度檢測。在用烘缸由于腐蝕磨損會減薄，出于滿足造紙工藝的光潔度的需要，會對缸面進行適當的磨削，也會使缸體減薄。由于烘缸鑄造時各點冷凝速度的不同，冷凝后力學性能也存在差異，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逐步降低。缸面的硬度不僅對紙張質量產生影響，當硬度不足會降低紙張表面質量，而且硬度降低還表明烘缸材料強度在下降，由此可見，隨著缸體減薄量的增加，缸體的力學性能存在劣化傾向。因此，定期檢驗時對烘缸缸面進行硬度檢測是必要的。硬度檢測選擇在距離缸體端面80～100mm的區域進行，每端各測兩點，測點的表面光潔度應達到2μm，每點測5次，取平均值作為改該點的硬度值，缸面兩端硬度值差值不得大于HB24，將四點硬度值的算術平均值作為缸面硬度。現行缸面硬度評價標準為QB2661《造紙機械用鑄鐵烘缸技術條件》，但是QB2661是制造驗收標準，對在用烘缸，經常出現不能滿足QB2661要求的情況。對于硬度達不到QB2661要求的在用烘缸是否繼續使用是檢驗人員必須要面臨的抉擇。合于使用是在用設備安全狀況等級評定的基本原則，基于該原則，可以參照以下要求評定硬度不能滿足QB2661標準要求的烘缸的安全狀況。

對于灰口鑄鐵，其強度和硬度存在以下關系:

式中：HBW為布氏硬度；Rm為抗拉強度；

A=100；

B=0.44；

RH為相對硬度，RH=0.8～1.2。

取RH=0.8，并將A、B和Rm代入（1）式得：

將測得的布氏硬度值代入（2）式得到Rm值，當Rm大于等于8.3倍許用應力，表明缸體仍具有足夠的安全性，可以繼續使用，表1給出了基于安全系數為8.3時按照（2）式計算出的各種牌號灰口鑄鐵HBW最小值。

表1 測量硬度值對應的布氏硬度（HBW）最小值

（4）表面探傷。表面探傷可以有效發現疲勞開裂和應力腐蝕開裂，成為檢測烘缸的重要的探傷方式之一。在進行表面探傷時，應對受檢表面鐵銹等氧化物進行清理打磨，使表面質量符合檢測要求。表面探傷重點檢測缸體缸蓋結構不連續區域和宏觀檢查可疑部位，表面探傷在條件允許的情況下應首選靈敏度較高的磁粉探傷，如果能營造昏暗的檢測環境，還應選擇靈敏度更高的熒光磁粉。

（5）超聲探傷。超聲探傷可以對構件內部缺陷和不能接近的內側表面缺陷進行檢測，可以對無人孔烘缸內側表面缺陷進行檢測，還可以對表面裂紋高度進行測量，因此超聲探傷是檢測烘缸的另一種重要探傷方式。超聲探傷的重點同樣是缸體內壁結構不連續部位。由于灰口鑄鐵透聲性差，正常的橫波技術難以實施，只能采用波長較長的低頻縱波探傷技術，又由于烘缸在用過程中引發諸如疲勞裂紋等缺陷一般垂直于缸體表面，不宜選用直探頭進行檢測，因此推薦采用1MHzK1的低頻縱波斜探頭，在CSK-ⅠA試塊上測量探頭的入射角，在相同材質制造的CSK-ⅡA試塊校正探頭K值、掃描時基線和檢測靈敏度，采用φ2長橫孔距離-波幅曲線作為檢測靈敏度，如果噪聲較低，可適當提高檢測靈敏度。檢測時，探頭沿平行于缸體母線的兩個方向對缸體內壁結構不連續部位和其他可疑部位進行100%掃查，一旦發現高于噪聲的異常信號，應采用前后、左右、轉角、環繞等掃查方式，必要時增加不同折射角（折射角差大于15度）的縱波斜探頭進行補充掃查，以區分異常信號的真偽，確定缺陷的性質及缺陷的位置、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量缺陷的宏觀尺寸（高度和長度）。對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缺陷的底波高度和次數作為檢測靈敏度進行檢測。

（6）缺陷的安全評定。迄今為止，對于鑄鐵壓力容器尚沒有缺陷評定規范，研究表明，造紙鑄鐵烘缸缺陷安全評定可以采用斷裂力學方法，只要應力強度因子KI小于斷裂韌度KIC，裂紋就處于穩定狀態，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定》附錄D給出了計算規則，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n取10。斷裂韌度KIC的試樣一般在同材質報廢烘缸完好部位截取，試樣制備和試驗按照GB/T4161《金屬材料平面應變斷裂韌度KIC試驗方法》進行，一般采用三點彎曲試驗測定。需要特別說明的是，當KI滿足（3）式，烘缸的安全等級可以確定為3級；當滿足n=8～10時，定為4級，監控使用，否則定位為5級，停止使用。

3 結語

定期檢驗是保障烘缸安全運行的重要手段，基于損傷模式的檢驗模式的定期檢驗可以全面快速的檢測烘缸在運行中產生的各種缺陷，檢驗針對性強，大大的提高了烘缸定期檢驗的效率和檢驗結果的可靠性。

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