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        回轉(zhuǎn)窯筒體裂紋紅外無(wú)損在線檢測(cè)研究

        2022-12-13 09:13:46王成健王一晨
        關(guān)鍵詞:回轉(zhuǎn)窯筒體寬度

        王成健, 王一晨, 王 偉*

        (1.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150086;2.安徽工程大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,安徽 蕪湖 241000)

        水泥是基建三大材料(鋼材、水泥和木材)之一,水泥工業(yè)也是國(guó)家的基礎(chǔ)建材原材料工業(yè),是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。2021年我國(guó)水泥熟料產(chǎn)量23.63億t,已連續(xù)36年穩(wěn)居世界第一。目前,水泥行業(yè)正持續(xù)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),淘汰落后和化解過(guò)剩產(chǎn)能,加快推進(jìn)水泥工業(yè)先進(jìn)工藝技術(shù)裝備研發(fā)應(yīng)用,以實(shí)現(xiàn)“降本增效”和水泥工業(yè)的跨越式發(fā)展[1]。

        水泥生產(chǎn)是典型的傳統(tǒng)流程性行業(yè)。新型干法水泥線煅燒技術(shù)裝備趨向大型化、監(jiān)控精細(xì)化、控制自動(dòng)化等方向變革。水泥工業(yè)用回轉(zhuǎn)窯是水泥生產(chǎn)線最重要的煅燒設(shè)備,其承擔(dān)著石灰石生料粉的煅燒分解、輸送等工藝過(guò)程,不僅是連接上、下游設(shè)備的“橋梁”,而且是水泥線熟料鍛燒過(guò)程的關(guān)鍵核心設(shè)備[2]。常見(jiàn)窯筒體直徑數(shù)米,長(zhǎng)度幾十米,由厚度不等的筒段節(jié)現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)拼焊而成,窯頭噴煤燃燒器伸入筒體內(nèi)部,通過(guò)噴出的煤粉燃燒產(chǎn)生的熱輻射、傳導(dǎo)、對(duì)流將物料加熱到所需的溫度,窯內(nèi)溫度可達(dá)1 000 ℃~1 500 ℃,筒體外表面溫度在300 ℃~400 ℃。石灰石生料粉在窯筒體內(nèi)煅燒分解過(guò)程中達(dá)到1 200 ℃以上高溫而揮發(fā)出含有大量氧、硫、氯等有害氣體,同300 ℃~400 ℃的鋼板接觸使筒體鋼板產(chǎn)生腐蝕。窯筒體鋼板在高溫作用下產(chǎn)生蠕變,加上焊縫的焊接應(yīng)力以及焊縫附近熱影響區(qū)應(yīng)力,使其強(qiáng)度大幅降低,容易導(dǎo)致窯筒體出現(xiàn)裂紋[3],回轉(zhuǎn)窯筒體裂紋如圖1所示。從裂紋產(chǎn)生的位置以及裂紋走向可知,存在不可預(yù)見(jiàn)性和較大的離散性,回轉(zhuǎn)窯筒體受到多種載荷因素相互耦合交互作用,這對(duì)窯筒體服役安全性提出了新的挑戰(zhàn)[4]。因此,回轉(zhuǎn)窯筒體缺陷的在役檢測(cè)技術(shù)研究和窯筒體安全壽命評(píng)估以及由缺陷引起的破壞研究十分具有現(xiàn)實(shí)意義。

        圖1 回轉(zhuǎn)窯筒體裂紋

        回轉(zhuǎn)窯筒體制作從板材下料到筒體拼接有嚴(yán)格的焊接技術(shù)規(guī)范和制造標(biāo)準(zhǔn),并對(duì)每塊板材、每條縱向和環(huán)向焊縫的焊接質(zhì)量有明確探傷要求,在安裝現(xiàn)場(chǎng)對(duì)每個(gè)窯筒節(jié)的對(duì)接組焊以及焊接質(zhì)量檢查也有嚴(yán)格的技術(shù)指導(dǎo)規(guī)范,所以杜絕了窯筒體制作安裝過(guò)程中的質(zhì)量問(wèn)題出現(xiàn)[5]。目前,在回轉(zhuǎn)窯筒體缺陷探傷檢測(cè)方面,對(duì)于承壓設(shè)備缺陷的無(wú)損檢測(cè),常見(jiàn)的方法有:射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)等,每一種無(wú)損檢測(cè)方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和特性,傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)比見(jiàn)表1。

        表1 傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)比

        在傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法中,超聲檢測(cè)能快速分辨缺陷,且定位精確;射線檢測(cè)對(duì)焊縫的夾渣、氣孔等體積型缺陷比較靈敏;磁粉檢測(cè)能快速檢測(cè)鐵磁性材料的表面缺陷,操作簡(jiǎn)單,結(jié)果直觀;滲透檢測(cè)原理簡(jiǎn)單,操作容易,靈敏度高,能在線檢測(cè),并能檢測(cè)大型設(shè)備和形狀不規(guī)則的零件。

        在回轉(zhuǎn)窯筒體無(wú)損檢測(cè)方面,由于回轉(zhuǎn)窯是高溫設(shè)備,需在停機(jī)狀態(tài)下且窯筒體表面溫度冷卻至室溫,通過(guò)人工利用超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)窯筒體外表面,檢測(cè)速度慢、周期長(zhǎng),高空作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大,靈活性、跟蹤能力差,且具有滯后性,檢測(cè)具有隨意性,容易產(chǎn)生漏檢,所以目前缺乏回轉(zhuǎn)窯在役工作狀態(tài)下的筒體缺陷在線檢測(cè)[6-9]。

        1 基本原理

        紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是將可控?zé)彷d荷(如脈沖、連續(xù)循環(huán)加熱等)主動(dòng)應(yīng)用到被測(cè)目標(biāo)對(duì)象上,使材料中的缺陷或損傷可以通過(guò)表面溫度梯度來(lái)呈現(xiàn)。紅外熱成像系統(tǒng)用于連續(xù)觀測(cè)和記錄被測(cè)目標(biāo)物體表面溫度場(chǎng)的變化,對(duì)被測(cè)物體的紅外熱成像序列進(jìn)行采集、處理和分析后,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體內(nèi)部缺陷的快速檢測(cè)和定性識(shí)別。

        回轉(zhuǎn)窯筒體紅外無(wú)損檢測(cè)原理圖如圖2所示。對(duì)于常見(jiàn)的裂紋、氣孔、剝落、夾渣、分層等缺陷,由于缺陷區(qū)的熱導(dǎo)率低于材料本身的熱導(dǎo)率,因此缺陷區(qū)的溫度高于周圍非缺陷區(qū)域溫度,通過(guò)表面溫度梯度的差異很容易檢測(cè)到缺陷[10]。

        圖2 紅外無(wú)損檢測(cè)原理圖

        2 數(shù)值模型及簡(jiǎn)化

        本文以水泥5 000 t/d生產(chǎn)線(?4.8 m×74 m回轉(zhuǎn)窯)為研究對(duì)象,圖3所示為水泥回轉(zhuǎn)窯現(xiàn)場(chǎng)整體概況。在窯筒體內(nèi)進(jìn)行著傳熱、煅燒分解和化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜過(guò)程,由于其內(nèi)部工況復(fù)雜,難以建立準(zhǔn)確函數(shù)模型,為了建立窯筒體的傳熱模型,本文做以下簡(jiǎn)化:

        圖3 水泥回轉(zhuǎn)窯現(xiàn)場(chǎng)概況圖

        (1)回轉(zhuǎn)筒體跨度很長(zhǎng),且在工作運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中從窯尾到窯頭溫度分段不等,窯筒體板厚從28~85 mm也不相等;根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)容易出現(xiàn)“裂紋”的區(qū)域,我們選取窯筒體“分解帶”距離窯頭約45 m處的筒節(jié),(寬度2 300 mm×板厚28 mm),并在筒節(jié)上預(yù)制了六種缺陷寬度分別為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm,深度相等均為20 mm的裂紋作為研究目標(biāo),如圖4所示。

        圖4 含有裂紋的窯筒節(jié)模型

        (2)建立的數(shù)值模型中沒(méi)有考慮筒體內(nèi)部窯皮、結(jié)圈的存在,僅模擬施加在耐火磚表面的溫度載荷有效范圍。

        (3)由于窯筒節(jié)和耐火磚的厚度在徑向方向相對(duì)于筒體長(zhǎng)度來(lái)說(shuō)比較小,不考慮窯內(nèi)耐火磚表面的輻射熱交換和窯筒節(jié)側(cè)面的對(duì)流傳熱。

        2.1 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

        在建立含有缺陷裂紋區(qū)域的窯筒體有限元模型基礎(chǔ)上,利用ANSYS有限元軟件處理分析,主要通過(guò)三個(gè)步驟來(lái)完成,即定義材料屬性和劃分合適的網(wǎng)格(如圖5)、穩(wěn)態(tài)熱學(xué)溫度場(chǎng)求解分析,得到求解結(jié)果如圖6所示窯筒節(jié)表面溫度場(chǎng)云圖。

        圖5 窯筒節(jié)模型網(wǎng)格細(xì)化結(jié)果

        圖6 窯筒體表面溫度場(chǎng)云圖

        圖中亮度值較高的區(qū)域即為裂紋,能夠清晰看到缺陷裂紋的形狀,由上圖可知裂紋區(qū)的溫度明顯高于附近正常區(qū)筒體的溫度,從上圖溫度云圖中能清晰看出裂紋發(fā)展的走向。

        2.2 缺陷寬度與溫度參數(shù)分析

        為了研究窯內(nèi)熱通量載荷溫度對(duì)不同尺寸缺陷檢測(cè)的影響,我們模擬了在不同熱通量載荷溫度(1 250 ℃~1 500 ℃)下的熱對(duì)比度情況。

        由圖7可知,窯內(nèi)熱通量載荷溫度越大,窯筒節(jié)表面最大溫差越大;窯筒節(jié)缺陷寬度越大,筒節(jié)表面溫差越大,即缺陷的寬度越大,缺陷越容易被檢測(cè)到。通過(guò)數(shù)值模擬分析求解結(jié)果,缺陷寬度在1 mm時(shí),隨著窯內(nèi)熱通量載荷溫度增大,筒節(jié)表面熱對(duì)比度溫差增加幅度0.5 ℃;缺陷寬度在6 mm變化時(shí),隨著窯內(nèi)熱通量載荷溫度增大,筒節(jié)表面熱對(duì)比度溫差增加幅度0.6 ℃,表明窯筒節(jié)表面熱對(duì)比度溫差值與缺陷寬度尺寸線性相關(guān)。因此,可以通過(guò)檢測(cè)提取回轉(zhuǎn)窯筒體表面溫度梯度差值來(lái)定性確認(rèn)缺陷的信息。

        圖7 缺陷溫度差

        3 小結(jié)

        本文以某水泥生產(chǎn)基地5 000 t/d生產(chǎn)線(?4.8 m×74 m回轉(zhuǎn)窯)為研究對(duì)象,分析了回轉(zhuǎn)窯筒體易出現(xiàn)缺陷裂紋的區(qū)域,并針對(duì)該區(qū)域利用ANSYS數(shù)值模擬窯筒體裂紋仿真分析,研究了不同參數(shù)(缺陷寬度不同、加載溫度不同)條件下,回轉(zhuǎn)窯筒體表面溫度梯度變化,得到了裂紋區(qū)域與無(wú)缺陷區(qū)域的表面溫差變化規(guī)律,揭示了紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在回轉(zhuǎn)窯筒體裂紋在線檢測(cè)中的作用,為后期的紅外熱波圖像處理和分析提供了重要的理論依據(jù)。

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