葉玉龍 劉桂雄 李旭峰 陳和坤
(1.華南理工大學機械與汽車工程學院 2.廣東省特檢院 3.汕頭市超聲波所)
鑄鐵因其良好的耐磨性、耐腐蝕性和保溫性,且其內應力比鋼制壓力容器小得多,而被世界各國廣泛應用于造紙烘缸。由于鑄鐵造紙烘缸一般體積較大,價格昂貴,所以國內造紙廠多從國外進口舊烘缸。由于使用時間較久,一般在投產前要對烘缸進行安全檢測,使用期間也需要按壓力容器的安全規(guī)定進行定檢。由于造紙烘缸缺陷引起事故造成的損失巨大,故對鑄鐵烘缸進行常見缺陷分析和無損探傷研究有很重要的現(xiàn)實意義。
雖然鋼焊接的造紙烘缸傳熱效率較好,但是卷曲的鋼板內應力無法釋放,導致結構不夠穩(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出現(xiàn)氣孔、夾砂、冷隔、縮孔、疏松和裂紋等情況,內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,可供人員進入烘缸筒體內部進行檢查。端蓋如圖2 所示。端蓋與筒體用多個螺栓連接。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
烘缸是造紙機的重要部位,工作時會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蒸汽冷凝水重量,還受到烘缸轉動的離心力作用。由于鑄鐵烘缸的材料和結構特性影響,相對薄弱部位容易出現(xiàn)缺陷,主要有:端蓋或缸體裂紋、表面磨損或剝落、彎曲和扭轉變形、連接螺栓扭裂和缸內銹蝕等[3]。
(1)烘缸鑄造成型時留下的縮孔、夾砂和氣孔等缺陷[4]。雖然很多時候不會直接影響烘缸的安全使用,但這些缺陷部位的結構強度相對于其它部位有所降低,使用時更容易受到破壞,影響安全。
(2)筒體腐蝕,厚度減少。烘缸內表面經常處于高壓水汽環(huán)境下,缸體內壁容易被水汽腐蝕,導致表層脫落、凹坑;烘缸外表面需要保持一定的光潔度以滿足紙張經過時不受破壞。但在造紙車間里酸、堿、水、汽、漿都比較多,對外表面造成一定腐蝕;此外定檢時可能要對烘缸內、外表面進行打磨,這樣烘缸的厚度就會慢慢變薄[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,在高壓狀態(tài)下會突然破裂,甚至爆炸。
(3)筒體裂紋、漏水。烘缸在使用時,缸體要承受各種應力,如內部蒸汽壓力、離心力、缸體內外溫差應力、自重應力和缸體轉矩引起的應力[6]。烘缸筒體裂紋可能由縮孔和夾砂等發(fā)展而成,也可能是應力所致??s孔、夾砂等缺陷擴大可能引起筒體漏水;而應力特別是轉動扭應力和蒸汽壓力容易造成缸體裂紋或變形;同時,缸體內壁受液體腐蝕,導致表層脫落、凹坑,進而發(fā)展為裂紋;外壁與帶水的紙幅接觸,同樣可能受腐蝕導致裂紋;紙張可能帶有較硬的微粒,刮傷烘缸表層導致裂紋[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,這兩位置應力也會較大,容易出現(xiàn)裂紋。檢測時,對這些部位應重點檢查。
(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;前端蓋是傳動側端蓋,又名進氣端蓋或驅動側端蓋。端蓋承受烘缸內部的蒸汽壓力、自身和缸體轉動產生的離心力、傳動扭轉應力、彎曲應力和熱應力等[8],也受到缸體內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)結構,存在大曲率部位;螺栓孔和人孔較多,容易集中應力,是烘缸薄弱的部位。因此,在端蓋與轉軸連接部位、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)應力集中,導致裂紋[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,在蒸汽壓力等應力的作用下,可能會斷裂,導致爆炸,造成嚴重后果。
(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。虹吸管主要導出缸內冷凝水;壓力閥監(jiān)控烘缸的壓力。烘缸工作時,虹吸管隨缸體一起轉動,受到蒸汽壓力作用,可能出現(xiàn)松動、變形、扭裂;在長期高壓蒸汽下,可能被腐蝕穿孔;此外,當出現(xiàn)堵塞或疏水閥失效時,凝結水排不凈造成內壁有氧腐蝕[10]。通常,壓力閥故障可能會導致安裝松動、鉛封不牢固,或者壽命結束。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。
無損探傷是指在不破壞被測物件的前提下,借助現(xiàn)代檢測設備和技術對被測物件的破壞情況進行檢測[11]。無損檢測技術已經在航空航天領域和核工業(yè)上廣泛采用,一些民用工業(yè)國家有關管理部門甚至在一些領域立法強制實施無損檢測技術,制定了相應的檢測和安全等級評定標準,如油氣罐、輸油氣管道、發(fā)電設備和一些大型的、承受高載荷的機械設備等[12]。鑄鐵造紙烘缸無損檢測雖然目前還沒有相應的標準,但作為一種壓力容器,無損檢測方法已經在烘缸檢測上廣泛應用。
無損檢測方法分六大類,約有70種,常用的主要有磁粉檢測、滲透檢測、渦流檢測、超聲波檢測、音頻檢測、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。射線檢測由于射線的有害性,其作業(yè)必須在特殊密閉室內進行,并且較大的烘缸擺在射線機下面照射也是不現(xiàn)實的,它雖然在其它工件的檢測效果很好,但不適用于烘缸檢測。磁粉檢測、滲透檢測和渦流檢測主要用于烘缸表面缺陷的檢測;超聲波檢測法可檢測內部和表面的缺陷,但一般用于烘缸內部缺陷檢測。
(1)磁粉檢測
磁粉檢測是漏磁場檢測的一種方法,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?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]。
磁粉檢測一直被認為是表面無損檢測最好的方式,但只適合用于鐵鎳基鐵磁性材料,對較小的表面或近表面缺陷反映較準確,而不適合檢測較寬的表面和內部缺陷。它適用于鑄鐵件的表面裂紋檢測,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。其實質就是利用漏磁場比缺陷大數(shù)十倍的特點把缺陷放大。鑄鐵造紙烘缸的鑄鐵材料特點和烘缸的結構特點正好符合磁粉檢測的優(yōu)勢,因此,該檢測法被認為是檢測烘缸表面缺陷最好的選擇,被廣泛應用[15]。但是,它需要先對工件進行磁化,完成檢測后還要退磁,而且一次檢測的范圍較小,相對大型烘缸來說,工作效率較低,并且磁痕分析對操作人員的經驗依賴性較強。針對這些限制,磁粉檢測將向著檢測儀器自動化和磁痕分析智能化處理方向發(fā)展[16]。
(2)滲透檢測
滲透檢測是利用液體的毛細管作用,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]。滲透檢測所用的設備簡單,對于現(xiàn)場檢測有較大的優(yōu)勢。該方法可廣泛應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,對于形狀復雜的缺陷也可一次性全面檢測。但其試劑成本較高,而且只能檢測表面開口缺陷,檢測程序繁瑣,噴涂滲透液和滲透時間長,靈敏度低于磁粉檢測,對于埋藏缺陷或閉合性表面缺陷無法測出,對被檢測物體表面光潔度有一定要求。對鑄鐵造紙烘缸來說,該方法能充分發(fā)揮現(xiàn)場檢測的優(yōu)勢,對端蓋等形狀復雜部位可以實現(xiàn)很好的檢測效果。但是它也存在較多局限:一是烘缸材料結構縮孔或疏松可能對滲透結果擴大,影響缺陷評價;二是如果烘缸外表面鍍鉻,則檢測可能無法進行;三是檢測內表面時要打開人孔進入缸內,需要較長時間;四是烘缸結構大、數(shù)量多,一條生產線往往有數(shù)十個烘缸,噴涂滲透試劑和等待滲透會占用很長時間;五是鑄鐵造紙烘缸內表面一般不平整,表面處理比較困難。對于造紙工業(yè)生產來說,長時間停產是不允許的。
針對滲透檢測效率不高的特點,國內外都有人嘗試了一些自動化措施來提高效率,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生產線,如美國辛迪克斯公司的葉片自動熒光檢驗系統(tǒng)。滲透檢測研究主要發(fā)展思路是降低滲透劑成本、縮短噴涂滲透時間,朝著自動化方向發(fā)展,這也是其能夠在烘缸檢測中解決局限、充分發(fā)揮其原有優(yōu)勢的做法。
(3)渦流檢測
渦流檢測是基于電磁感應原理,用電磁場對金屬工件進行電磁感應,使工件產生變化的渦流,從而產生變化的磁場,然后用傳感器測出工件表面或近表面的磁場是否存在異常,由此得到工件的表面或近表面是否有缺陷[18]。對被檢工件缺陷定性、定位和定量,主要是通過磁場最大值出現(xiàn)的時間來判斷。渦流檢測時線圈不必與被測物直接接觸,可進行高速檢測,易于實現(xiàn)自動化,并且檢測時不需要對工件進行表面處理,大大節(jié)省了時間。對于鑄鐵造紙烘缸作業(yè)線,渦流檢測具有可以不用耦合介質和不需進行表面處理等優(yōu)勢。但渦流檢測一是不適用于形狀復雜的零件;二是只能檢測導電材料的表面和近表面缺陷,檢測結果也易受到材料本身及其它因素的干擾;三是隨著檢測的缺陷深度、渦流滲透深度增加,激勵頻率的降低,表面的渦流密度下降,檢測靈敏度也會隨之降低[19]。這樣,無法從外表面對內表面的缺陷進行檢測;檢測內表面時需要打開人孔,花費大量時間,對內表面的渦流感應實現(xiàn)起來比較困難;在檢測烘缸端蓋時,由于端蓋的結構復雜,檢測的準確性會受到較大的影響。
(4)超聲波檢測
超聲波檢測是應用最廣泛的無損檢測方法之一,它利用進入被檢測材料的超聲波,在遇到材料表面或內部缺陷時,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行分析,就可以對工件是否存在缺陷等狀態(tài)進行判讀[20]。超聲檢測的優(yōu)勢有[21~23]:
① 不受材料限制,一般只需要從一側接近被測物體;
② 設備輕便,對人體和環(huán)境基本無害,對在用工件檢測有較大優(yōu)勢;
③ 靈敏度高,可檢測出材料內部較小的缺陷;
④ 既可以檢測出與檢測面相對平行的缺陷,也可以檢測出與檢測面相對垂直的缺陷,對在深度方向重疊的缺陷也可以檢出,而射線檢測就難以檢出與檢測面相對垂直的缺陷,對重疊缺陷也無法反映。
基于以上優(yōu)勢,超聲波檢測在鑄鐵造紙烘缸的無損檢測中應用較多,尤其是需要同時檢測表面缺陷和內部缺陷的情況下應用更多。該方法可以滿足只從烘缸外表面對烘缸整個壁厚的缺陷檢測,無需打開人孔,節(jié)省了檢測時間。但是,該方法在烘缸檢測上也有局限:
① 縱波反射法檢測存在盲區(qū),近表面和表面的缺陷有時難于測出;
② 缺陷取向對檢測靈敏度有影響,從而影響結果的可靠性;
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,超聲檢測效果有時不夠準確;
④ 烘缸結構復雜,特別是端蓋部位,其變曲率和不等厚度對超聲波影響較大;
⑤ 傳統(tǒng)超聲檢測需要耦合劑,涂抹耦合劑對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 用雙晶探頭檢測近表面和大曲率部位;
③ 用聲程衍射時間法(TOFD)檢測體積型缺陷等,取得了較好的實際效果。
但是結果的可靠性還是難趨完美,各種新技術的探索不斷出現(xiàn),如相控陣超聲波技術、激光散斑技術、激光超聲檢測技術、非線性超聲波技術、超聲導波技術和空氣耦合技術等[24,25]。
造紙烘缸的使用安全事關重大,國家相關部門已經通過法規(guī)要求烘缸必須至少每兩年定檢一次。由于無損檢測技術的局限性,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,更無法確認烘缸的使用安全。但是,無損檢測技術代替人眼宏觀檢查是烘缸安全檢測的必然之路。鑄鐵造紙烘缸的無損檢測趨勢將是:
(1)節(jié)省時間,不開人孔,單從外表面即可進行整個厚度范圍,包括表面和內部的缺陷檢測;
(2)開發(fā)便攜式自動化檢測系統(tǒng),減少人為因素的影響,提高檢測效率和可靠性。不但要在信息獲取環(huán)節(jié)加強自動化程度的推進,還要在數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)智能化方面加速發(fā)展;
(3)加強檢測技術的改進,解決無損檢測方法的局限性,提高檢測結果全面性和準確度。
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檢測烘缸的缺陷,這樣比較容易達到目標,并且在常規(guī)超聲波技術基礎上,進行新技術探索。激光超聲檢測技術、空氣耦合技術、超聲衍射時差等技術代表了鑄鐵造紙烘缸超聲無損檢測技術朝數(shù)字化、自動化和智能化的方向發(fā)展。尤其烘缸的相控陣超聲波技術是目前關注的重點,很多人致力于研究自適應聚焦相控陣超聲系統(tǒng)、自適應信號補償技術、柔性低頻相控陣陣列探頭和相控陣三維成像技術等,預計在不久的將來就會有突破性的進展。
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