劉新平*

（福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院龍巖分院）

0 引言

回轉(zhuǎn)窯是水泥生產(chǎn)工藝的重要工藝，廣泛應(yīng)用于煅燒石灰、烘干礦渣、冶煉金屬等。筒體是回轉(zhuǎn)窯的關(guān)鍵部件，是由多段不同壁厚的筒體焊接而成。對(duì)以往事故進(jìn)行分析后可知，采用不當(dāng)?shù)陌惭b方法、不正確的操作以及錯(cuò)誤的檢修方法，均可能導(dǎo)致筒體鋼板產(chǎn)生裂紋，且隨著時(shí)間推移逐漸開裂，最終產(chǎn)生嚴(yán)重后果。

據(jù)文獻(xiàn)[1-3]研究可知，筒體開裂主要是由腐蝕引起的，在縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂和腐蝕疲勞相互作用下，筒體發(fā)生開裂。研究者指出，筒體輪帶表面接觸疲勞開裂是由于高硬度的偏析成分成為裂紋源，在疲勞載荷作用下，發(fā)生疲勞開裂[4-6]。與此同時(shí)，筒體工作應(yīng)力過大，筒體溫度應(yīng)力過高，筒體結(jié)構(gòu)焊接時(shí)引起的殘余應(yīng)力和拘束應(yīng)力分布不均勻也是筒體開裂的重要原因[6]。回轉(zhuǎn)窯在擋磚圈附近也會(huì)出現(xiàn)裂紋，這是擋磚圈焊接殘余應(yīng)力和筒體受物料沖刷減薄、強(qiáng)度下降共同作用的結(jié)果[7]。筒體開裂的原因涉及材料選用、設(shè)計(jì)、制造、安裝和生產(chǎn)維護(hù)等方面，也有研究認(rèn)為，回轉(zhuǎn)窯中心線超出偏差，在過渡帶加劇交變應(yīng)力集中程度，且過渡帶窯皮保護(hù)較脆弱，物料透過磚縫腐蝕筒體，致使筒體減薄，在二者共同作用下，回轉(zhuǎn)窯筒體加速開裂[8-10]。

為進(jìn)一步探究水泥回轉(zhuǎn)窯筒體開裂機(jī)理，本研究選取數(shù)家水泥廠，采用壁厚測(cè)定、磁粉檢測(cè)、硬度檢測(cè)、超聲檢測(cè)等無損檢測(cè)方法，以及金相檢測(cè)和物料分析方法，對(duì)這些水泥廠的回轉(zhuǎn)窯筒體進(jìn)行檢測(cè)，分析筒體的開裂機(jī)理，并提出針對(duì)性預(yù)防與保護(hù)措施。

1 設(shè)備概況

多數(shù)水泥回轉(zhuǎn)窯會(huì)協(xié)同摻燒其他污染物質(zhì)，如生活垃圾、危險(xiǎn)廢物等。水泥廠的生產(chǎn)工藝不同，摻燒方式也不同，回轉(zhuǎn)窯筒體的運(yùn)行情況也各異。對(duì)a、b、c、d、e 共5 家水泥廠的回轉(zhuǎn)窯筒體進(jìn)行調(diào)研分析后發(fā)現(xiàn)：（1）a、b 廠水泥回轉(zhuǎn)窯未摻燒運(yùn)行，未發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)旋窯筒體開裂；（2） c 廠水泥回轉(zhuǎn)窯摻燒垃圾，進(jìn)行垃圾協(xié)同處置，垃圾中含一定量氯離子，運(yùn)行一段時(shí)間后，回轉(zhuǎn)旋窯筒體出現(xiàn)裂紋；（3） d 廠水泥回轉(zhuǎn)窯摻燒鋁粉，鋁粉中的氯離子含量較高，一次停機(jī)檢修后開機(jī)運(yùn)行，在啟動(dòng)過程中回轉(zhuǎn)窯筒體出現(xiàn)開裂；（4）e 廠水泥回轉(zhuǎn)窯筒體焊接質(zhì)量不佳，焊接咬邊較大，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在運(yùn)行過程中，焊接接頭處出現(xiàn)開裂。圖1 顯示了c 廠和d 廠水泥回轉(zhuǎn)窯筒體開裂情況，c 廠回轉(zhuǎn)窯筒體呈環(huán)向開裂，d 廠回轉(zhuǎn)窯筒體呈縱向開裂。

圖1 水泥回轉(zhuǎn)窯筒體開裂情況

對(duì)5 家水泥廠回轉(zhuǎn)窯筒體概況進(jìn)行分析后可知，十分有必要開展相應(yīng)的檢測(cè)，厘清回轉(zhuǎn)窯筒體薄弱部位，并持續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)，找出回轉(zhuǎn)窯缺陷，同時(shí)提出預(yù)防措施。

2 檢測(cè)分析

為了分析筒體的開裂機(jī)理，本文對(duì)a、b、c、d、e 5 家廠水泥回轉(zhuǎn)窯筒體進(jìn)行壁厚測(cè)定、磁粉檢測(cè)、金相檢測(cè)、硬度檢測(cè)和超聲檢測(cè)，并對(duì)筒體內(nèi)物料進(jìn)行了分析。

2.1 壁厚測(cè)定

水泥回轉(zhuǎn)窯壁厚測(cè)定位置為筒節(jié)兩側(cè)靠焊接接頭100 mm 處截面及筒節(jié)中心截面，每個(gè)截面測(cè)定6個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)周向間隔60°，如圖2 所示，筒節(jié)過渡部位為必測(cè)部位。并將壁厚減薄達(dá)到20%的檢測(cè)點(diǎn)標(biāo)記為局部減薄部位，當(dāng)測(cè)定截面上所有壁厚檢測(cè)點(diǎn)減薄程度達(dá)到20%時(shí)，將該截面標(biāo)記為全面減薄部位。壁厚測(cè)定旨在找出設(shè)備局部減薄部位及全面減薄部位。

圖2 壁厚測(cè)定測(cè)點(diǎn)布置（單位：mm）

通過對(duì)a、b、c、d、e 5 個(gè)水泥廠回轉(zhuǎn)窯筒體進(jìn)行壁厚測(cè)定后發(fā)現(xiàn)，筒體減薄程度為15%～35%，其中e 廠筒體減薄量最大，最大減薄處出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)窯筒體過渡部位，具有較大的潛在開裂危險(xiǎn)。推測(cè)原因可知，過渡帶是水泥窯窯皮薄弱部位，水泥回轉(zhuǎn)窯失去窯皮的保護(hù)后，回轉(zhuǎn)窯熱負(fù)荷過高，熱面層基質(zhì)就會(huì)在高溫下熔化并向冷面層方向遷移，使磚襯冷面層致密化，熱面層則疏松多孔，從而使水泥回轉(zhuǎn)窯不耐磨刷、沖擊及震動(dòng)，在熱疲勞作用下，最終發(fā)生損傷破壞。

2.2 磁粉檢測(cè)

磁粉檢測(cè)在壁厚測(cè)定后進(jìn)行，檢測(cè)范圍含筒節(jié)間環(huán)向焊接接頭、筒節(jié)縱向焊接接頭及局部減薄部位，用以檢測(cè)筒體表面裂紋缺陷，對(duì)裂紋缺陷指示長度達(dá)到1 mm 的部位標(biāo)記為有表面缺陷的部位。磁粉檢測(cè)旨在檢測(cè)筒節(jié)間環(huán)向焊接接頭、筒節(jié)縱向焊接接頭及局部減薄部位的缺陷，找到有表面缺陷的部位。

本次針對(duì)a、b、c、d、e 廠回轉(zhuǎn)窯筒體進(jìn)行磁粉檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)5 家水泥廠回轉(zhuǎn)窯筒節(jié)間環(huán)向焊接接頭、筒節(jié)縱向焊接接頭及筒體上尤其是筒節(jié)過渡部位均有不同長度的裂紋缺陷。a、b 廠筒體裂紋小于1 mm，可現(xiàn)場(chǎng)打磨消除；c、d、e 廠筒體裂紋均遠(yuǎn)大于1 mm，無法打磨消除，e 廠回轉(zhuǎn)窯筒體裂紋長度甚至達(dá)到5 m，該裂紋從筒體過渡帶起裂，穿過多道環(huán)向焊接接頭延伸，呈環(huán)向和縱向開裂，如圖3 所示。

圖3 e廠回轉(zhuǎn)窯筒體裂紋情況（單位：mm）

2.3 金相檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)金相檢測(cè)在磁粉檢測(cè)后進(jìn)行，檢測(cè)范圍應(yīng)包含局部減薄部位及有表面缺陷的部位，用來觀察筒體材料微觀組織的變化情況，將微觀組織發(fā)生球化或石墨化率達(dá)到30%的部位標(biāo)記為材質(zhì)劣化部位?，F(xiàn)場(chǎng)金相檢測(cè)在磁粉檢測(cè)后進(jìn)行，旨在檢測(cè)局部壁厚減薄部位及有表面缺陷的部位的微觀組織變化，找出材質(zhì)劣化部位。

本次針對(duì)a、b、c、d、e 廠回轉(zhuǎn)窯筒體進(jìn)行金相檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)c、d、e 廠筒體焊接接頭及筒體過渡帶均出現(xiàn)材質(zhì)劣化現(xiàn)象。圖4 a）和圖4 b）顯示了c 廠和d 廠水泥回轉(zhuǎn)窯筒體材料金相圖，由圖4 可見，筒體材料已出現(xiàn)球化。對(duì)e 廠回轉(zhuǎn)窯筒體裂紋尖端進(jìn)行金相分析，如圖5 所示，裂紋尖端呈分枝狀，為穿晶裂紋，脆性開裂，為典型的應(yīng)力腐蝕開裂裂紋。

圖4 回轉(zhuǎn)窯筒體金相圖

圖5 e廠回轉(zhuǎn)窯筒體裂紋尖端金相圖

2.4 硬度檢測(cè)

硬度檢測(cè)在現(xiàn)場(chǎng)金相檢測(cè)后進(jìn)行，檢測(cè)范圍含金相檢測(cè)被標(biāo)記為材質(zhì)劣化的部位，從而檢測(cè)材料硬度是否處于標(biāo)準(zhǔn)使用范圍。

本次對(duì)經(jīng)金相檢測(cè)存在材質(zhì)劣化的c、d、e 廠回轉(zhuǎn)窯筒體進(jìn)行硬度檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)金相檢測(cè)異常部位基本出現(xiàn)在筒體過渡帶，最低硬度平均值僅有90 HB，遠(yuǎn)低于水泥回轉(zhuǎn)窯筒體材料Q235C 的硬度值（140～160 HB）。經(jīng)分析，由于過渡帶受耐火磚保護(hù)較薄弱，容易出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象，在應(yīng)力作用下，加劇材質(zhì)劣化。

2.5 超聲檢測(cè)

超聲檢測(cè)在現(xiàn)場(chǎng)金相檢測(cè)后進(jìn)行，檢測(cè)范圍含筒節(jié)間環(huán)向焊接接頭、筒節(jié)縱向焊接接頭、局部減薄部位及材質(zhì)劣化部位，對(duì)檢測(cè)時(shí)儀器反射波幅在判廢線及以上的部位標(biāo)記為有埋藏缺陷的部位。超聲檢測(cè)旨在檢測(cè)筒節(jié)間環(huán)向焊接接頭、筒節(jié)縱向焊接接頭、局部減薄部位及材質(zhì)劣化部位的埋藏缺陷。

通過對(duì)5 家水泥廠回轉(zhuǎn)窯筒體進(jìn)行超聲檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，c、d、e 廠筒節(jié)間環(huán)向焊接接頭、筒節(jié)縱向焊接接頭及筒節(jié)過渡部位均存在埋藏缺陷，缺陷深度為8 ～13 mm，這些埋藏缺陷主要在生產(chǎn)和制造過程中產(chǎn)生，并隨著回轉(zhuǎn)窯筒體的運(yùn)行發(fā)展成為缺陷源頭。

2.6 物料分析

水泥回轉(zhuǎn)窯經(jīng)常摻燒其他物質(zhì)，用來提高回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熱值，然而這些摻燒物質(zhì)成分復(fù)雜，故需要分析這些物料的組分，探究摻燒物料對(duì)回轉(zhuǎn)窯筒體的影響。

c、d、e 廠水泥回轉(zhuǎn)窯均有摻燒運(yùn)行，摻燒物含工業(yè)廢棄物、破布、醫(yī)療廢物、農(nóng)業(yè)藥物、木材防腐劑、有機(jī)溶劑、氰化物、礦物油、蒸餾殘?jiān)?、涂料、有機(jī)樹脂類、感光材料、含酮廢物等，這些廢物經(jīng)過發(fā)酵、破碎后一同摻燒。檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，摻燒廢物后的物料中，氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)到0.05%，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)0.6%，甚至更高。在摻燒狀態(tài)下，由于物料中含氯離子、氟離子及硫離子等物質(zhì)，回轉(zhuǎn)窯筒體腐蝕加劇，在應(yīng)力和高溫作用下，易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋，繼而產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。

3 開裂機(jī)理分析

水泥回轉(zhuǎn)窯工作環(huán)境復(fù)雜，在腐蝕性介質(zhì)和高溫環(huán)境下，回轉(zhuǎn)窯筒體易發(fā)生開裂，因此十分有必要探究水泥回轉(zhuǎn)窯筒體的開裂機(jī)理。

3.1 腐蝕作用

水泥回轉(zhuǎn)窯使用的燃料主要是煤炭，且很多回轉(zhuǎn)窯會(huì)協(xié)同處理生活垃圾及工業(yè)固廢，燃料燃燒后釋放出大量的硫化物、氮氧化物、氯化物、氟化物等氣相腐蝕介質(zhì)；水泥回轉(zhuǎn)窯在燒制熟料過程中，常在石灰質(zhì)礦石、黏土質(zhì)等原料中添加一定量的工業(yè)廢渣，工業(yè)廢渣成分復(fù)雜，在高溫下腐蝕性加劇。氯化物是水泥回轉(zhuǎn)窯筒體內(nèi)壁最重要的腐蝕性物質(zhì)，是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的關(guān)鍵，氯離子易引起回轉(zhuǎn)窯筒體點(diǎn)蝕，點(diǎn)蝕可深入到金屬內(nèi)部，引起腐蝕穿孔，形成裂紋源，在應(yīng)力作用下，裂紋不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致筒體開裂。故控制摻燒物及原料含腐蝕介質(zhì)含量很關(guān)鍵。

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壁在磨擦、腐蝕、黏附等因素下，表面會(huì)產(chǎn)生一些污垢，引發(fā)電化學(xué)腐蝕，并與點(diǎn)蝕相互促進(jìn)；回轉(zhuǎn)窯筒體內(nèi)壁在高溫條件下，也會(huì)發(fā)生高溫腐蝕，如高溫氧化腐蝕、高溫氯化物腐蝕和高溫硫化物腐蝕；除此之外，回轉(zhuǎn)窯筒體還可能存在磨擦腐蝕、疲勞腐蝕、冷熱交替引起的應(yīng)力腐蝕等。

3.2 溫度的影響

回轉(zhuǎn)窯筒體內(nèi)壁溫度是影響其性能的重要指標(biāo)，通常將該溫度控制在300～330 ℃。回轉(zhuǎn)窯筒體內(nèi)壁溫度不同，腐蝕介質(zhì)的活躍度也不同，對(duì)回轉(zhuǎn)窯筒體內(nèi)壁腐蝕速率也不同，回轉(zhuǎn)窯筒體內(nèi)壁溫度越高，腐蝕速率越大；回轉(zhuǎn)窯筒體內(nèi)壁溫度也是影響回轉(zhuǎn)窯筒體力學(xué)性能關(guān)鍵因素，若回轉(zhuǎn)窯筒體內(nèi)壁超溫，會(huì)影響材料的微觀組織性能，長期超溫運(yùn)行，會(huì)降低材料強(qiáng)度，縮短筒體的使用壽命。因此，需加強(qiáng)對(duì)回轉(zhuǎn)窯筒體的溫度監(jiān)控。

4 預(yù)防措施與建議

水泥廠通常連續(xù)運(yùn)行，非特殊情況則停機(jī)時(shí)間短，進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部檢修的情況更少。因此，對(duì)水泥廠日常運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)顯得很重要，可以提前預(yù)估風(fēng)險(xiǎn)、預(yù)防事故、做到及時(shí)止損。

（1） 嚴(yán)格控制含氯、含氟及含硫摻燒物的投放量，將氯離子、氟離子和硫化物等控制在一定水平以下，降低對(duì)回轉(zhuǎn)窯使用壽命的影響。

（2） 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)回轉(zhuǎn)窯外壁熱輻射情況，對(duì)熱輻射異常部位進(jìn)行跟蹤標(biāo)記，短時(shí)停機(jī)檢修時(shí)，采用壁厚測(cè)定、磁粉檢測(cè)、金相檢測(cè)、硬度檢測(cè)、超聲檢測(cè)等重點(diǎn)檢測(cè)熱輻射異常部位，推斷耐火磚的完好情況。

（3） 在安裝及維修時(shí)，嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，減少焊接應(yīng)力集中程度。焊接后，對(duì)焊接接頭進(jìn)行射線、超聲及磁粉等無損檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)超標(biāo)的焊接缺陷應(yīng)及時(shí)消除。

（4） 嚴(yán)格把控生產(chǎn)管理，保證產(chǎn)品的均勻性，使作用于筒體的載荷保持穩(wěn)定，減少脈沖載荷，防止偏載，降低疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展的可能性。

5 結(jié)語

通過對(duì)水泥回轉(zhuǎn)窯筒體進(jìn)行壁厚測(cè)定、磁粉檢測(cè)、金相檢測(cè)、硬度檢測(cè)、超聲檢測(cè)及物料分析可知，筒節(jié)間環(huán)向焊接接頭、筒節(jié)縱向焊接接頭及筒節(jié)過渡部位是筒體薄弱部位，回轉(zhuǎn)窯在摻燒運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)缺陷概率較高。腐蝕性介質(zhì)和高溫是引起回轉(zhuǎn)窯筒體開裂的關(guān)鍵因素，在腐蝕性介質(zhì)、高溫和應(yīng)力作用下，筒體易出現(xiàn)開裂。