楊英春

（宣城市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗中心，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，損傷識別成為壓力容器定期檢驗關(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(rèn)識這一特殊性，對保證造紙烘缸定期檢驗結(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，造紙烘缸在運(yùn)行中不可避免地承受開機(jī)、停機(jī)和壓力波動等周期性載荷作用，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(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)計文件要求，檢查烘缸結(jié)構(gòu)尺寸是否合理，過度部位的過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（必要時按3.2節(jié)測厚）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）壁厚測定。由于灰口鑄鐵透聲性不強(qiáng)，致使超聲測厚實施很困難，超聲波測厚儀發(fā)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(qiáng)的粗晶鑄態(tài)構(gòu)件進(jìn)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(chǔ)性數(shù)據(jù)，過去曾采用測量烘缸內(nèi)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(shù)據(jù)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(shù)字超聲檢測技術(shù)的發(fā)展為鑄鐵烘缸超聲測厚成為可能，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)卡尺對缸體端部某一部位測量三次，取平均值，作為儀器時基線調(diào)整的基準(zhǔn)厚度，然后在游標(biāo)卡尺測量部位采用二次底波法對儀器的時基線進(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)行測厚。與傳統(tǒng)測厚儀測厚有所不同的是，超聲波探傷儀測厚系統(tǒng)可以采用掃查方式進(jìn)行連續(xù)測厚，既可以沿母線連續(xù)測厚，也可以以所選點為圓心，在適當(dāng)?shù)陌霃椒秶鷥?nèi)進(jìn)行連續(xù)測厚，可以連續(xù)獲得厚度值，測厚效果明顯優(yōu)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(jìn)行檢測。缸體測厚應(yīng)避開缸體端部的過渡區(qū)域，為檢測整個缸體周向是否存在不均勻減薄，測厚至少應(yīng)在相隔90℃的四條母線上進(jìn)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(qū)域等非檢測區(qū)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(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。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(jìn)行適當(dāng)?shù)哪ハ?，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(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逐步降低。缸面的硬度不僅對紙張質(zhì)量產(chǎn)生影響，當(dāng)硬度不足會降低紙張表面質(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，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，定期檢驗時對烘缸缸面進(jìn)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(qū)域進(jìn)行，每端各測兩點，測點的表面光潔度應(yīng)達(dá)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(shù)平均值作為缸面硬度?，F(xiàn)行缸面硬度評價標(biāo)準(zhǔn)為QB2661《造紙機(jī)械用鑄鐵烘缸技術(shù)條件》，但是QB2661是制造驗收標(biāo)準(zhǔn)，對在用烘缸，經(jīng)常出現(xiàn)不能滿足QB2661要求的情況。對于硬度達(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(biāo)準(zhǔn)要求的烘缸的安全狀況。

對于灰口鑄鐵，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(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(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)疲勞開裂和應(yīng)力腐蝕開裂，成為檢測烘缸的重要的探傷方式之一。在進(jìn)行表面探傷時，應(yīng)對受檢表面鐵銹等氧化物進(jìn)行清理打磨，使表面質(zhì)量符合檢測要求。表面探傷重點檢測缸體缸蓋結(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，如果能營造昏暗的檢測環(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，可以對無人孔烘缸內(nèi)側(cè)表面缺陷進(jìn)行檢測，還可以對表面裂紋高度進(jìn)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(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)難以實施，只能采用波長較長的低頻縱波探傷技術(shù)，又由于烘缸在用過程中引發(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，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(zhì)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(dāng)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?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，應(yīng)采用前后、左右、轉(zhuǎn)角、環(huán)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(jìn)行補(bǔ)充掃查，以區(qū)分異常信號的真?zhèn)危_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(shù)作為檢測靈敏度進(jìn)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(guī)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(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定》附錄D給出了計算規(guī)則，所需要的裂紋宏觀尺寸由磁粉探傷和超聲探傷得出?；诨铱阼T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(yīng)變斷裂韌度KIC試驗方法》進(jìn)行，一般采用三點彎曲試驗測定。需要特別說明的是，當(dāng)KI滿足（3）式，烘缸的安全等級可以確定為3級；當(dāng)滿足n=8～10時，定為4級，監(jiān)控使用，否則定位為5級，停止使用。

3 結(jié)語

定期檢驗是保障烘缸安全運(yùn)行的重要手段，基于損傷模式的檢驗?zāi)Ｊ降亩ㄆ跈z驗可以全面快速的檢測烘缸在運(yùn)行中產(chǎn)生的各種缺陷，檢驗針對性強(qiáng)，大大的提高了烘缸定期檢驗的效率和檢驗結(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、快開門式壓力容器和烘缸（筒）安全監(jiān)察工作的通知.（質(zhì)檢辦特〔2013〕338號 ）[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].中國造紙,2008,27（9）：70-72.

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

[5]王應(yīng)植，馬歆等.進(jìn)口紙機(jī)鑄鐵烘缸的安全評定[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定方法的研究與工程實踐[J].化工機(jī)械,1995,（4）：47-51.