摘 要：鑄鐵烘缸屬于較小眾和特殊的壓力容器，其結(jié)構(gòu)特征、材質(zhì)特性、安全保護(hù)裝置、設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)、損傷模式與傳統(tǒng)的鋼制壓力容器不同。鑒于此，以造紙用灰鑄鐵烘缸為例進(jìn)行針對(duì)性分析研究，提出了科學(xué)有效施檢的策略，有助于避免機(jī)械執(zhí)行法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)而導(dǎo)致的責(zé)任事故。

關(guān)鍵詞：鑄鐵烘缸；檢驗(yàn)檢測(cè)；減壓閥；安全保護(hù)裝置

中圖分類號(hào)：TS734+.7" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2023）14-0072-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.14.018

0" " 引言

鑄鐵烘缸是安裝在固定位置、沿水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)的圓筒形換熱容器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作時(shí)，在缸體內(nèi)通入蒸汽，通常用于造紙行業(yè)對(duì)紙張進(jìn)行熨燙，最后冷凝水經(jīng)虹吸管從疏水閥排出缸體。因此，鑄鐵烘缸屬于《特種設(shè)備安全法》監(jiān)管的承壓設(shè)備。近年來(lái)，鑄鐵烘缸爆炸事故時(shí)有報(bào)道，在質(zhì)檢特函〔2016〕31號(hào)《質(zhì)檢總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局關(guān)于加強(qiáng)高風(fēng)險(xiǎn)鍋爐壓力容器安全監(jiān)察工作的通知》中，明確將烘缸納入高風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)管，需要按照特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱《容規(guī)》）進(jìn)行檢驗(yàn)，安全狀況符合要求方可使用。

造紙烘缸常用灰鑄鐵來(lái)制造，其屬于脆性材料，抗拉強(qiáng)度、塑性、韌性都比壓力容器常用的鋼材要低，除用于烘缸外，未見(jiàn)有用于制造其他壓力容器的報(bào)道。筆者查閱了壓力容器檢驗(yàn)行業(yè)流行的相關(guān)教材，均未見(jiàn)對(duì)鑄鐵烘缸檢驗(yàn)的詳細(xì)描述。鑄鐵烘缸的材料特性、制造工藝、應(yīng)力分布（存在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）與通常的鋼制壓力容器有所不同，其本體及主要受壓元件上無(wú)安全附件，以上情況給鑄鐵烘缸檢驗(yàn)的有效實(shí)施帶來(lái)了挑戰(zhàn)。本文通過(guò)對(duì)鑄鐵烘缸本質(zhì)安全進(jìn)行分析探究，結(jié)合筆者多年工作經(jīng)驗(yàn)，試圖提出切實(shí)可行的有效檢驗(yàn)策略，從而提供技術(shù)支撐和保障。

1" " 鑄鐵烘缸的特征

1.1" " 鑄鐵烘缸常用材料

鑄鐵是以鐵元素為基的含有碳、硅、錳、磷、硫等元素的多元鐵合金。國(guó)際上，化學(xué)成分不作為鑄件驗(yàn)收的依據(jù)，但鑄件必須滿足材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的力學(xué)性能和金相組織要求。我國(guó)早已掌握了先進(jìn)的鑄鐵熔煉工藝。目前，造紙烘缸常用的灰鑄鐵HT200和HT250，其力學(xué)性能參數(shù)如表1所示，其金相組織為珠光體（基體組織）+片狀石墨，石墨熱導(dǎo)率比珠光體大，因此，灰鑄鐵具有良好的導(dǎo)熱性；此外，灰鑄鐵液的流動(dòng)性良好，凝固過(guò)程中，線收縮率和體收縮率較小，不易發(fā)生開(kāi)裂；同時(shí)，片狀石墨的存在，使得灰鑄鐵缺口敏感性降低，與鋼相比裂紋不易快速擴(kuò)展。根據(jù)灰鑄鐵的高溫機(jī)械性能曲線，從室溫至400 ℃，灰鑄鐵的力學(xué)性能指標(biāo)變化不大，350 ℃以下，灰鑄鐵很穩(wěn)定，幾乎不氧化和生長(zhǎng)。

灰鑄鐵硬而耐磨、剛度大，用其鑄造的筒體與鋼板卷制的相比圓度好，在大氣中的耐蝕性優(yōu)于碳鋼，特別是熨燙時(shí)，紙張可以輕松從其表面剝離。鑒于以上原因，灰鑄鐵一直是制造造紙烘缸的不二選擇。但是，灰鑄鐵抗壓不抗拉，為確保安全，《容規(guī)》采用提高冗余量的方式，規(guī)定灰鑄鐵用于壓力容器時(shí)，室溫下抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)應(yīng)不小于10.0。

1.2" " 鑄鐵烘缸的工況

鑄鐵烘缸的承壓部件為圓柱缸體、兩側(cè)的缸蓋、缸蓋與缸體間的連接螺栓，支撐件為缸蓋中心的轉(zhuǎn)軸、機(jī)架底座。造紙用鑄鐵烘缸的外徑常見(jiàn)為1 800 mm和2 000 mm這兩個(gè)系列，缸體長(zhǎng)度多為2 000～6 000 mm。設(shè)計(jì)允許參數(shù)如表1所示。

1.3" " 鑄鐵烘缸的安全保護(hù)裝置

從國(guó)內(nèi)公開(kāi)的事故調(diào)查來(lái)看，鑄鐵烘缸發(fā)生爆炸，基本是超壓運(yùn)行導(dǎo)致[1]。一般情況下，鍋爐房產(chǎn)出的蒸汽要供給到企業(yè)各車間生產(chǎn)工段，但鑄鐵烘缸的用汽壓力往往比其他工段的用汽壓力低，如果烘缸進(jìn)汽口前的供汽管道上未裝設(shè)超壓自動(dòng)泄放裝置的話，極易發(fā)生超壓事故。此外，鑄鐵烘缸內(nèi)的蒸汽需要連續(xù)安全平穩(wěn)地供給，方能保證生產(chǎn)運(yùn)行，因此，在超壓自動(dòng)泄放裝置前需裝設(shè)減壓裝置，實(shí)現(xiàn)安全冗余。可按圖2所示裝設(shè)，圖中電接點(diǎn)壓力表可接入鍋爐控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)超壓聯(lián)鎖保護(hù)。為防止雜質(zhì)流入，造成減壓閥卡阻失靈，減壓閥前必須安裝過(guò)濾器。

減壓閥是安全保護(hù)裝置的核心部件，從流體力學(xué)的觀點(diǎn)看，減壓閥是一個(gè)局部阻力可以變化的節(jié)流元件，即通過(guò)改變節(jié)流面積，使流速及流體的動(dòng)能改變，造成不同的壓力損失，從而達(dá)到減壓的目的，然后依靠控制與調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，使閥后壓力的波動(dòng)與彈簧力相平衡，并在一定的誤差范圍內(nèi)保持恒定。

按照作用形式，減壓閥可分為先導(dǎo)式和直動(dòng)式。先導(dǎo)式減壓閥的結(jié)構(gòu)如圖3所示。使用時(shí)，拆下蓋帽，松開(kāi)防松螺母，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)螺釘，調(diào)節(jié)彈簧被壓縮，推動(dòng)膜片向下動(dòng)作，導(dǎo)閥芯開(kāi)啟，介質(zhì)通過(guò)導(dǎo)閥芯順著導(dǎo)流孔到達(dá)主閥活塞上方，推動(dòng)活塞向下動(dòng)作，帶動(dòng)主閥芯開(kāi)啟，閥后壓力開(kāi)始上升，閥后壓力經(jīng)過(guò)主閥體內(nèi)的導(dǎo)流孔，到達(dá)導(dǎo)閥膜片下方，和調(diào)節(jié)彈簧作用力達(dá)到平衡，導(dǎo)閥芯和主閥芯都保持一定開(kāi)度，出口壓力保持穩(wěn)定，當(dāng)出口壓力上升時(shí)，導(dǎo)閥膜片下方壓力隨之上升，膜片向上移動(dòng)，導(dǎo)閥芯在導(dǎo)閥彈簧作用下趨向關(guān)閉，流向主閥活塞上方的介質(zhì)壓力減小，主閥芯在主閥彈簧作用下逐漸關(guān)閉，使閥后壓力下降，重新恢復(fù)到設(shè)定值，當(dāng)出口壓力下降時(shí)，導(dǎo)閥膜片下方的壓力也下降，在調(diào)節(jié)彈簧作用下，膜片向下移動(dòng)，導(dǎo)閥芯趨向開(kāi)啟，流經(jīng)主閥活塞上方的介質(zhì)壓力增加，活塞推動(dòng)主閥芯開(kāi)度加大，使閥后壓力上升，又恢復(fù)到設(shè)定值。

直動(dòng)式減壓閥的結(jié)構(gòu)如圖4所示，使用時(shí)，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)蓋帽內(nèi)的調(diào)節(jié)螺釘，使得調(diào)壓彈簧被壓縮，從而推動(dòng)膜片和閥桿下移，將閥芯打開(kāi)，輸出口輸出蒸汽，同時(shí)輸出的氣壓經(jīng)反饋?zhàn)饔迷谀て袭a(chǎn)生向上的推力，并在與調(diào)壓彈簧作用力相平衡時(shí)穩(wěn)定地輸出壓力?？梢?jiàn)，先導(dǎo)式減壓閥比直動(dòng)式減壓閥靈敏、可靠得多，減壓比也更大。

2" " 鑄鐵烘缸的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)

1988年4月，我國(guó)原輕工業(yè)部首次頒布了ZB Y91 003—1988《造紙機(jī)械用鑄鐵烘缸技術(shù)條件》，第二年又頒布了ZB Y91 008—1989《造紙機(jī)用鑄鐵烘缸設(shè)計(jì)規(guī)定》，這兩部標(biāo)準(zhǔn)分別在2002年和2008年進(jìn)行過(guò)修訂，2021年兩部標(biāo)準(zhǔn)合二為一，即QB/T 2551—2021《造紙機(jī)械用鑄鐵烘缸》。該標(biāo)準(zhǔn)（以下統(tǒng)稱“鑄鐵烘缸產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)”）頒布以來(lái)，一直用于造紙鑄鐵烘缸的設(shè)計(jì)、制造、出廠檢驗(yàn)等，因此該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)作為研究有效檢驗(yàn)的重要參考依據(jù)。

3" " 在用鑄鐵烘缸檢驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施及有效性分析

對(duì)烘缸進(jìn)行受力分析、腐蝕分析、材質(zhì)劣化分析等，是實(shí)施有效檢驗(yàn)的前提。

烘缸工作時(shí)，缸蓋不僅承受內(nèi)壓，還承受缸體自重，且由于缸體不停地旋轉(zhuǎn)，缸蓋一直在承受循環(huán)的應(yīng)力，容易導(dǎo)致疲勞；烘缸的內(nèi)外壁存在溫差應(yīng)力，當(dāng)疏水系統(tǒng)失靈時(shí)冷凝水受離心力作用會(huì)引起彎曲應(yīng)力，因此，在應(yīng)力集中的缸蓋軸孔周圍、人孔圈周圍以及缸體肩部區(qū)域（圖1），易誘發(fā)裂紋。同時(shí)這些不連續(xù)的區(qū)域，往往也容易出現(xiàn)氣孔、縮孔等制造遺留缺陷，烘缸使用一定時(shí)間后，制造遺留缺陷處也易伴生裂紋。

在制造時(shí)，如果鑄鐵內(nèi)部存在分層缺陷，烘缸長(zhǎng)期使用后，分層處可能出現(xiàn)局部脫落；內(nèi)表面與蒸汽接觸，可能發(fā)生沖蝕；外表面與潮濕的紙張接觸，可能發(fā)生水汽、酸、堿腐蝕以及紙張對(duì)缸面的機(jī)械磨損，為保持缸面的光潔度，使用單位可能對(duì)缸體外表面進(jìn)行磨削。這些都會(huì)造成壁厚減薄。

灰鑄鐵長(zhǎng)期超溫運(yùn)行可能引起石墨類型改變、長(zhǎng)度變短、尖端出現(xiàn)微裂紋，珠光體數(shù)量減少，碳化物和磷共晶數(shù)量增加，影響材料機(jī)械性能。

3.1" " 資料審查

首先，可用于制造烘缸的鑄鐵材料牌號(hào)《容規(guī)》有明確規(guī)定；其次，用于制造造紙烘缸的灰鑄鐵，其歷年頒布的材料標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定，不許有裂紋、冷隔、縮孔等影響使用性能的缺陷產(chǎn)品出廠。一直以來(lái)，我國(guó)對(duì)壓力容器的制造過(guò)程實(shí)行監(jiān)督檢驗(yàn)制度，符合特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范要求的，發(fā)放監(jiān)督檢驗(yàn)證書，方可出廠安裝使用。因此，對(duì)于使用后首次實(shí)施檢驗(yàn)的鑄鐵烘缸，應(yīng)先查閱其出廠資料是否齊全，核對(duì)烘缸實(shí)物的銘牌信息、外觀尺寸與監(jiān)檢證書、竣工圖等出廠資料上的記載是否一致；核查材質(zhì)證書的信息，確定材料以及設(shè)計(jì)參數(shù)是否符合相應(yīng)制造年份的《容規(guī)》和鑄鐵烘缸產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

3.2" " 宏觀檢驗(yàn)

首次實(shí)施定期檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)和幾何尺寸進(jìn)行檢驗(yàn)，重點(diǎn)檢測(cè)不連續(xù)區(qū)域的幾何參數(shù)是否符合鑄鐵烘缸產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。若發(fā)生了修補(bǔ)，則應(yīng)檢查修補(bǔ)部位及補(bǔ)孔是否符合鑄鐵烘缸產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，是否誘發(fā)裂紋。目視檢查烘缸內(nèi)外表面有無(wú)裂紋、氣孔、縮孔、脫落、沖蝕、磨損等缺陷，結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域及修補(bǔ)部位可借助放大鏡和亮度達(dá)標(biāo)的手電仔細(xì)檢查。兩側(cè)缸蓋的螺栓，按上下左右各抽兩顆檢查是否有裂紋，M36及以上的螺柱應(yīng)逐個(gè)清洗檢查是否有裂紋。檢查缸體內(nèi)是否積有大量冷凝水，虹吸管是否堵塞、松脫，疏水裝置是否完好。檢查烘缸上的各密封部位（缸蓋與缸體，人孔與缸蓋）是否有泄漏痕跡。檢驗(yàn)人員無(wú)法進(jìn)入烘缸內(nèi)部檢驗(yàn)的，可借助內(nèi)窺鏡檢查。

3.3nbsp; " 硬度檢查

灰鑄鐵受拉時(shí)，幾乎沒(méi)有屈服階段，其硬度與抗拉強(qiáng)度值存在線性關(guān)系，測(cè)出硬度值即可知曉抗拉強(qiáng)度值是否滿足要求。硬度值超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)上限，可能材質(zhì)已發(fā)生老化，鑄鐵的總碳量降低或者石墨由A型轉(zhuǎn)變?yōu)镈型，硬度值會(huì)明顯提高，應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行金相檢驗(yàn)和無(wú)損檢測(cè)；硬度值降低，可能發(fā)生了壁厚減薄，應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行超聲波測(cè)厚，這是因?yàn)殍T造時(shí)外壁冷卻快，晶粒細(xì)，中心冷卻慢，晶粒粗，不同壁厚處的顯微組織（如石墨形狀、尺寸）有不同程度的差別，從而帶來(lái)力學(xué)性能的差別，越靠近缸體中心，硬度值越低。

硬度測(cè)試方法：測(cè)試位置的表面光潔度應(yīng)達(dá)到2 μm，測(cè)試點(diǎn)選取離缸體兩端80～100 mm范圍內(nèi)，并避開(kāi)缸體與端蓋的結(jié)合處，每端各測(cè)兩點(diǎn)，所測(cè)四點(diǎn)的硬度算術(shù)平均值為缸面硬度值。硬度的合格標(biāo)準(zhǔn)可參考表2。

3.4" " 壁厚測(cè)定及強(qiáng)度校核

為檢測(cè)剩余的厚度值是否還滿足承壓強(qiáng)度要求，通常采用超聲測(cè)厚。但灰鑄鐵材料晶粒粗大，并且片狀石墨造成基體組織不連續(xù)，因此，超聲波在灰鑄鐵中的衰減較大，普通的數(shù)字式測(cè)厚儀無(wú)法測(cè)出厚度值，通常應(yīng)使用帶A掃描顯示數(shù)字式測(cè)厚儀和低頻率、晶片尺寸大的直探頭來(lái)測(cè)量。調(diào)整增益，借助儀器顯示屏上找到的一、二次底波，驗(yàn)證顯示屏上厚度示值的準(zhǔn)確性。應(yīng)注意：探頭頻率越低，聲速指向性越差，脈沖寬度越大，儀器顯示屏上的回波波形越寬，分辨率越低；晶片尺寸越大，近場(chǎng)區(qū)的長(zhǎng)度也越大，若近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度超過(guò)了工件厚度，則儀器也無(wú)法顯示厚度示值。實(shí)驗(yàn)表明，選用頻率為1 MHz、晶片尺寸為13 mm的直探頭進(jìn)行測(cè)量，效果較好。

不同牌號(hào)、不同厚度的灰鑄鐵含碳量不一致，含碳量越低，聲速越快，并且外壁也比中心聲速快。因此，不同的灰鑄鐵烘缸，聲速一般都不相同，測(cè)厚前可先用卡尺在缸體邊緣測(cè)出厚度值，再用測(cè)厚儀在該處校核聲速后開(kāi)始測(cè)量，鑄鐵的聲速范圍在4 100～5 000 m/s[4]。通常沿所測(cè)缸體的軸長(zhǎng)，在對(duì)稱中心及兩邊取橫截面，每個(gè)截面上均布4個(gè)測(cè)厚點(diǎn)。若發(fā)現(xiàn)局部減薄，可采用網(wǎng)格法（圖5）確定減薄區(qū)域。

鑄鐵烘缸不允許補(bǔ)焊[5]，其強(qiáng)度計(jì)算公式可查設(shè)計(jì)圖紙中給出的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（如QB/T 2556—2002《造紙機(jī)械用鑄鐵烘缸設(shè)計(jì)規(guī)定》），常見(jiàn)的烘缸計(jì)算厚度如表1所示。

3.5" " 表面無(wú)損檢測(cè)

對(duì)于宏觀檢驗(yàn)中有懷疑的部位以及應(yīng)力集中的不連續(xù)區(qū)域，應(yīng)100%進(jìn)行磁粉檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)，被檢部位的表面狀況、光照度、檢測(cè)工藝應(yīng)符合文獻(xiàn)[6]的規(guī)定，確保檢出率。

3.6" " 水壓試驗(yàn)及聲發(fā)射檢測(cè)

水壓試驗(yàn)?zāi)軌蚩疾旌娓椎恼w強(qiáng)度、密封性能，同時(shí)能夠?qū)ξ⒘鸭y產(chǎn)生閉合效應(yīng)，鈍化微裂紋尖端。當(dāng)對(duì)烘缸內(nèi)部難以實(shí)施檢驗(yàn)時(shí)，水壓試驗(yàn)是一種有效的檢驗(yàn)方法，可結(jié)合聲發(fā)射檢測(cè)一并進(jìn)行，聲發(fā)射檢測(cè)可監(jiān)測(cè)烘缸是否存在活性缺陷，如果存在Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)定位源，應(yīng)停止繼續(xù)升壓，采用常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法驗(yàn)證定位源處是否存在缺陷。目前，灰鑄鐵HT250可按文獻(xiàn)[7]進(jìn)行檢測(cè)判定。若聲發(fā)射檢測(cè)未見(jiàn)明顯異常，則緩慢升壓至2倍允許工作壓力，保壓30 min后，降至允許工作壓力，保壓30 min進(jìn)行檢查。檢查期間壓力保持不變，無(wú)滲漏、無(wú)異響、無(wú)可見(jiàn)變形，方為合格。

水壓試驗(yàn)前應(yīng)對(duì)烘缸實(shí)測(cè)最小壁厚的允許工作壓力進(jìn)行確認(rèn)，以確保安全，試驗(yàn)水溫不得低于5 ℃，試驗(yàn)前應(yīng)采取有效措施保證連接轉(zhuǎn)軸不會(huì)受到水自身重力的影響，支承工裝要牢固，試驗(yàn)后應(yīng)排凈積水。

3.7" " 安全保護(hù)裝置檢查

減壓閥是保證鑄鐵烘缸不超壓運(yùn)行的特有部件，非常關(guān)鍵，但由于安裝位置不在烘缸上，對(duì)烘缸檢驗(yàn)時(shí)，減壓閥往往被忽略，最終引發(fā)事故。大于DN50的減壓閥屬于壓力管道元件，按文獻(xiàn)[8]的規(guī)定應(yīng)進(jìn)行型式試驗(yàn)，無(wú)型式試驗(yàn)證書的減壓閥不得用于特種設(shè)備。應(yīng)對(duì)照銘牌信息[9]，核查適用介質(zhì)，進(jìn)、出口壓力范圍是否滿足使用要求，檢查閥體表面是否損壞、銹蝕、變形。烘缸投用前應(yīng)觀察出口壓力是否符合要求，若經(jīng)過(guò)調(diào)整后，減壓閥出口壓力依然不符合要求，應(yīng)拆卸進(jìn)一步檢查閥瓣與閥座的磨損程度，彈簧是否變形、損壞。減壓閥前的過(guò)濾器應(yīng)定期清理維護(hù)，蒸汽潔凈才能確保減壓閥運(yùn)行可靠性，延長(zhǎng)使用壽命。

應(yīng)使用符合文獻(xiàn)[10]要求的全啟式安全閥，并按規(guī)定定期校驗(yàn)，整定壓力不得高于烘缸的允許使用壓力，其流道直徑應(yīng)能滿足文獻(xiàn)[11]規(guī)定的排放量要求，生產(chǎn)運(yùn)行中，應(yīng)定期進(jìn)行手動(dòng)排放試驗(yàn)，以防失效。

4" " 結(jié)束語(yǔ)

鑄鐵烘缸是一種非常規(guī)的壓力容器，應(yīng)通過(guò)對(duì)其固有特性進(jìn)行分析，選擇科學(xué)有效的檢驗(yàn)手段，從而規(guī)避盲目、機(jī)械地執(zhí)行安全技術(shù)規(guī)范，從本質(zhì)上保證檢驗(yàn)質(zhì)量，并為企業(yè)安全生產(chǎn)提供技術(shù)支撐，降低風(fēng)險(xiǎn)。

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收稿日期：2023-05-18

作者簡(jiǎn)介：李曹賢（1987—），男，云南人，工程師，研究方向：特種設(shè)備質(zhì)量與安全。