李文煒 狄 剛 范文佳
(1.杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局,浙江杭州,310006;2.華東師范大學(xué),上海,200062)
鑄鐵烘缸常見(jiàn)缺陷成因分析及在線(xiàn)檢測(cè)
李文煒1狄 剛1范文佳2
(1.杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局,浙江杭州,310006;2.華東師范大學(xué),上海,200062)
在對(duì)3400余臺(tái)鑄鐵烘缸檢測(cè)研究的基礎(chǔ)上,提出了基于縱波雙晶探頭的鑄鐵烘缸超聲波檢測(cè)技術(shù)。通過(guò)對(duì)鑄鐵烘缸筒體和小R過(guò)渡區(qū)的氣孔、縮孔、夾雜采用縱波雙晶小角度探頭 (5°)檢測(cè),發(fā)現(xiàn)體積型缺陷;對(duì)鑄鐵烘缸筒體和小R過(guò)渡區(qū)裂紋采用縱波雙晶較大角度探頭 (42°)檢測(cè),發(fā)現(xiàn)深裂紋類(lèi)平面缺陷。解決了在線(xiàn)檢測(cè)中鑄鐵烘缸常規(guī)檢測(cè)項(xiàng)目測(cè)厚值強(qiáng)度計(jì)算或與設(shè)計(jì)對(duì)比的問(wèn)題、對(duì)硬度值偏小的判定問(wèn)題、在線(xiàn)檢測(cè)重點(diǎn)部位的確定問(wèn)題、對(duì)含小尺寸裂紋缺陷鑄鐵烘缸安全運(yùn)行評(píng)估的確定問(wèn)題,從而成功解決了在用鑄鐵烘缸檢測(cè)的難題。
造紙;鑄鐵;烘缸;缺陷;成因;檢驗(yàn)
造紙鑄鐵烘缸是造紙?jiān)O(shè)備中非常關(guān)鍵的主要構(gòu)件,烘缸與烘缸間的空間較為狹小,大部分烘缸端蓋外還有封板,造紙企業(yè)為了車(chē)間整潔、節(jié)能等因素,往往將干燥部封閉起來(lái),且造紙生產(chǎn)一般為連續(xù)工作工況,使得烘缸難于及時(shí)檢修 (見(jiàn)圖1)。
由于鑄鐵烘缸缸壁厚,熱容量大,保溫性能好,耐磨性好,價(jià)格相對(duì)便宜,因此造紙烘缸普遍采用的是灰鑄鐵,如HT200、HT250、HT300等。鑄鐵烘缸直徑一般有1.0、1.5、1.8、2.5、3.0 m等,最大的可達(dá)4 m以上;鑄鐵烘缸的設(shè)計(jì)壓力一般為0.3、0.5 MPa,個(gè)別也有0.8 MPa的。介質(zhì)主要是飽和蒸汽或過(guò)熱蒸汽,用于加熱鑄鐵烘缸,以干燥緊貼在烘缸表面的紙張。鑄鐵烘缸的灰鑄鐵屬于脆性材料,鑄鐵在鑄造過(guò)程中易發(fā)生鑄造缺陷,整體鑄造組織中各處都可能存在危險(xiǎn)性缺陷,內(nèi)部鑄造組織較為疏松,晶粒較粗,內(nèi)含大量片狀石墨,因此對(duì)鑄鐵內(nèi)部缺陷的檢測(cè)技術(shù)存在較大的難度,國(guó)內(nèi)外對(duì)鑄鐵烘缸檢驗(yàn)的相關(guān)研究極少[1-2]。
圖1 造紙機(jī)干燥部外觀(guān)
鑄鐵烘缸不同于一般的鋼制壓力容器結(jié)構(gòu),缸體和缸蓋采用螺栓連接 (見(jiàn)圖2),缸體結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域 (如缸體過(guò)渡區(qū)域)為烘缸的最薄弱環(huán)節(jié)(見(jiàn)圖3)。
1.1.1 造紙鑄鐵烘缸透聲性差
造紙烘缸鑄件的特點(diǎn)是晶粒粗大、組織不致密性和不均勻性,透聲性差。在鑄造過(guò)程中,由于鑄件各部分冷卻速度不同造成了鑄件的不均勻。通常模壁冷卻快,且常有大量固態(tài)核微粒,因此模壁晶粒細(xì)。當(dāng)模壁溫度升高后,冷卻速度減慢,于是在垂直模壁方向上形成柱狀區(qū)。當(dāng)模壁溫度進(jìn)一步升高,金屬液溫度下降,溫差減小,冷卻速度緩慢,結(jié)晶方向性消失,形成等軸晶區(qū)。這種鑄件截面上不同取向的晶粒構(gòu)成了鑄件的不均勻性,此外鑄件中以片狀或其他形態(tài)存在的石墨也可視為一種組織不均勻性。造紙烘缸鑄件的致密性是由樹(shù)枝結(jié)晶方式引起的,鑄件結(jié)晶時(shí),先形成主干,然后在垂直主干方向長(zhǎng)出支干。再在支干的垂直方向長(zhǎng)出分支,也像樹(shù)枝一樣生長(zhǎng)。各支干間最后結(jié)晶凝固,冷卻收縮形成的空隙難以充滿(mǎn)金屬,從而使鑄件的致密性變差。造紙烘缸鑄件晶粒粗大是由于高溫冷卻凝固過(guò)程緩慢,生核、長(zhǎng)核時(shí)間長(zhǎng)、使晶粒變粗。造紙烘缸鑄件的不致密性、不均勻性和晶粒粗大,使超聲波散射衰減和吸收衰減明顯增加,還會(huì)使聲能衰減,造成聲速差異,據(jù)資料介紹和實(shí)際測(cè)定,最大差異可達(dá)5.5%,透聲性降低[3-4]。
1.1.2 造紙鑄鐵烘缸聲能耦合差
造紙烘缸鑄件表面粗糙,聲能耦合差,探傷靈敏度降低,波束指向性不好,且探頭磨損嚴(yán)重。
1.1.3 造紙鑄鐵烘缸超聲檢測(cè)干擾雜波多
造紙烘缸鑄件超聲波檢測(cè)干擾雜波多。一是由于粗晶和組織不均勻性引起的散亂反射形成草狀回波,使信噪比下降。特別是頻率較高時(shí)尤為嚴(yán)重。二是鑄件形狀復(fù)雜,一些輪廓回波和遲到變形波引起的非缺陷信號(hào)多。此外鑄件粗糙表面也會(huì)產(chǎn)生一些反射回波,干擾對(duì)缺陷波的正確判定[5]。
1.1.4 造紙鑄鐵烘缸形狀復(fù)雜
造紙烘缸凸緣部位厚度為20~150 mm,內(nèi)表面呈傾斜狀,超聲波檢測(cè)時(shí)沒(méi)有底面反射回波。造紙鑄鐵烘缸的特性造成無(wú)法采用目前常規(guī)的超聲波檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)。
1.2.1 采用縱波雙晶探頭的造紙鑄鐵烘缸的試塊制作
采用縱波雙晶探頭利用折射縱波進(jìn)行檢測(cè),在相同頻率下,材質(zhì)的衰減系數(shù)較橫波小,有利于粗晶鑄件的檢測(cè)。根據(jù)晶片的角度,可將探頭分為小角度探頭和大角度探頭。
試塊材料采用灰口鑄鐵,超聲衰減系數(shù)應(yīng)與被檢測(cè)鑄鐵烘缸衰減系數(shù)相同或相近,不允許存在直徑≥2 mm的平底孔當(dāng)量缺陷,同時(shí)要求:①探測(cè)面粗糙度 (Ra):鑄造表面Ra≤12.5 μm,機(jī)加工表面Ra≤10 μm;②檢測(cè)面沒(méi)有影響超聲波檢測(cè)的污垢;③耦合劑:可選用黏度較大的耦合劑,如黃油、機(jī)油和黃油混合劑等。
1.2.2 ZGZ系列雙晶探頭專(zhuān)用試塊
5個(gè)直徑為3 mm的平底孔,每孔相距25 mm,5個(gè)孔位于50 mm寬試塊中心,5個(gè)平底孔離探測(cè)面距離分別為5、10、15、20、25 mm,結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 ZGZ系列雙晶探頭用試塊
1.2.3 造紙鑄鐵烘缸不同深度長(zhǎng)橫孔對(duì)比試塊
在烘缸筒體10、20 mm打2個(gè)Φ3 mm長(zhǎng)橫孔。在小R部位38、40、55、80 mm打4個(gè)Φ5 mm長(zhǎng)橫孔,結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 長(zhǎng)橫孔對(duì)比試塊
長(zhǎng)橫孔試塊 (200 mm×60 mm×30 mm),在19、24 mm處打2個(gè)Φ2 mm×40 mm長(zhǎng)橫孔,結(jié)構(gòu)如圖6所示。
1.2.4 造紙鑄鐵烘缸切槽對(duì)比烘缸試塊
制作2塊試塊,分別在筒體和小R部位開(kāi)30 mm長(zhǎng)、深度2、4、6、8 mm的切槽,結(jié)構(gòu)如圖7。
檢測(cè)儀器為HS616e;探頭采用2.5 MHz Φ20 mm普通直探頭,研制的專(zhuān)用探頭有:1.5 MHz縱波雙晶直探頭 (焦距f=20 mm)、1.5 MHz縱波雙晶小角度(5°)探頭 (f為10、20 mm)、1.25 MHz縱波雙晶大角度探頭 (f為40、60、70 mm)。
超聲縱波垂直入射到測(cè)試面與其背面平行的無(wú)缺陷的鑄鐵材料中,用縱波直探頭測(cè)試的底波B1與B2的波高差值用dB表示。在鑄鐵厚度相同區(qū)域內(nèi),至少測(cè)3點(diǎn)取平均值。
采用2.5 MHz Φ20 mm直探頭實(shí)測(cè)長(zhǎng)橫孔試塊、長(zhǎng)橫孔烘缸對(duì)比試塊B1與B2的波高差值18 dB,故不能用二次波進(jìn)行檢測(cè),只能采用一次波檢測(cè),波形見(jiàn)圖8。
2.3.1 采用2.5 MHz Φ20縱波直探頭
用2.5 MHz Φ20縱波直探頭 (普通直探頭)檢測(cè)ZGZ系列雙晶探頭用試塊25 mm深度處平底孔,由于頻率過(guò)高,雜波過(guò)高,缺陷無(wú)法清晰辨識(shí),見(jiàn)圖9。
2.3.2 采用1.5MHz縱波雙晶直探頭
用1.5 MHz縱波雙晶直探頭 (f=10 mm)檢測(cè)長(zhǎng)橫孔試塊、長(zhǎng)橫孔烘缸對(duì)比試塊,底波靈敏度明顯比2.5 MHz Φ20縱波普通直探頭高。
用1.5 MHz縱波雙晶直探頭 (f=10 mm)檢測(cè)ZGZ系列雙晶探頭用試塊25 mm深度處平底孔,同樣由于雜波過(guò)高,缺陷無(wú)法清晰辨識(shí)。
2.3.3 采用1.5 MHz縱波雙晶小角度 (5°)探頭
用1.5 MHz縱波雙晶小角度探頭(f=10 mm)檢測(cè)ZGZ系列雙晶探頭用試塊25 mm、20 mm深度處平底孔,可以清晰辨識(shí),見(jiàn)圖10。
用1.5 MHz縱波雙晶小角度(5°)探頭 (f=10 mm)在長(zhǎng)橫孔標(biāo)準(zhǔn)試塊上做的DAC曲線(xiàn),見(jiàn)圖11。
用1.5 MHz縱波雙晶小角度(5°)探頭 (f=10 mm)檢測(cè)長(zhǎng)橫孔烘缸對(duì)比試塊,19 mm深的長(zhǎng)橫孔Φ3 mm×25 mm可清晰辨識(shí)。
2.3.4 采用1.25 MHz縱波雙晶大角度 (42°)探頭
用1.25 MHz縱波雙晶大角度(42°)探頭 (f=40 mm)檢測(cè)切槽烘缸對(duì)比試塊,筒體4 mm、2 mm深的切槽波形見(jiàn)圖12。
用1.25 MHz縱波雙晶大角度(42°)探頭 (f=40 mm)檢測(cè)切槽烘缸對(duì)比試塊,小R部位4 mm、2 mm深切槽波形見(jiàn)圖13。
3.1.1 氣孔
造紙鑄鐵烘缸氣孔缺陷主要是由于鑄造過(guò)程中金屬液含氣量過(guò)多、模型潮濕及透氣性不佳,使金屬液體在凝固時(shí)氣體來(lái)不及逸出而被凝在鑄件中而形成的空洞。造紙烘缸氣孔缺陷往往孤立存在,截面形狀主要呈圓形、橢圓形、腰圓形、梨形或針頭狀。在用造紙鑄鐵烘缸氣孔缺陷主要是卷入氣孔和析出氣孔。卷入氣孔一般為孤立存在的大氣孔,形狀通常為圓形或橢圓形,位置不定。析出氣孔多呈細(xì)小圓形或針頭狀,成群分布在鑄件斷面或某一局部區(qū)域內(nèi),內(nèi)壁較光滑而明亮。
3.1.2 縮孔和疏松
縮孔和疏松是由于金屬液冷卻凝固時(shí)體積收縮得不到液體金屬補(bǔ)縮而形成的缺陷。這些缺陷往往位于鑄件內(nèi)部,如表面機(jī)加工時(shí)未及缺陷深度,在烘缸出廠(chǎng)時(shí)呈閉合狀態(tài),難以被發(fā)現(xiàn)。在使用一段時(shí)間后,烘缸內(nèi)表面被蒸汽沖蝕,或外表面的磨缸等處理可能呈開(kāi)口狀缺陷并被發(fā)現(xiàn),而且缺陷大小深度不一。例如,在DN2500 mm烘缸的虹吸管側(cè)軸孔周?chē)l(fā)現(xiàn)的縮孔,直徑達(dá)120 mm,深30 mm;在DN3000 mm烘缸的人孔凸緣密封面上發(fā)現(xiàn)一處縮孔,直徑達(dá)30 mm,深35 mm。這些缺陷,相當(dāng)于減少了烘缸的壁厚,降低了烘缸的強(qiáng)度。
3.1.3 分層
分層是由于鑄造時(shí)金屬液中了混入了熔渣、氣隙等而形成的,使用過(guò)程中經(jīng)蒸汽沖刷、冷凝水浸蝕及開(kāi)停車(chē)熱脹冷縮等,分層不斷加劇,直至剝落。例如,在某臺(tái)DN2500 mm烘缸的缸體內(nèi)表面,發(fā)現(xiàn)分層剝落范圍為220 mm×150 mm,最深處為12 mm;在某臺(tái)DN3000 mm烘缸的缸體內(nèi)表面,發(fā)現(xiàn)分層剝落范圍為410 mm×50 mm,最深處為11 mm。在定期檢驗(yàn)時(shí),烘缸的缸體、缸蓋部位均發(fā)現(xiàn)過(guò)有分層、剝落的現(xiàn)象,見(jiàn)圖14。
3.1.4 裂紋
鋼液冷卻過(guò)程中由于內(nèi)應(yīng)力 (熱應(yīng)力和組織應(yīng)力)過(guò)大、結(jié)構(gòu)拘束等使鑄件局部開(kāi)裂,烘缸在使用過(guò)程中由于載荷等原因也可能形成裂紋。鑄件截面尺寸突變處,應(yīng)力集中嚴(yán)重處,容易出現(xiàn)裂紋。在鑄鐵烘缸中,裂紋多出現(xiàn)在缸體凸緣過(guò)渡段 (小R部位)。圖15為內(nèi)表面裂紋缺陷,經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)的最大軸向裂紋長(zhǎng)300 mm、開(kāi)口寬度2 mm、深約10 mm。
烘缸缸蓋也易形成裂紋缺陷,且有不少裂紋為貫穿性裂紋。例如,定期檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的DN1500 mm×25 mm烘缸缸蓋貫穿裂紋,L=810 mm,DN2500 mm×35 mm烘缸缸蓋貫穿裂紋,L=1050 mm。
造紙鑄鐵烘缸的鑄鐵材料屬于脆性材料,根據(jù)杭州地區(qū)3400臺(tái)鑄鐵烘缸的普查和檢驗(yàn)研究,要求在造紙鑄鐵烘缸在線(xiàn)定期檢驗(yàn)方案中應(yīng)實(shí)施的主要檢驗(yàn)項(xiàng)目包括:原始資料審查、宏觀(guān)檢驗(yàn)、幾何尺寸檢驗(yàn)、壁厚測(cè)定、表面檢測(cè)、硬度檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、強(qiáng)度校核、耐壓試驗(yàn)、安全附件檢查。
針對(duì)造紙鑄鐵烘缸透聲性差、聲耦合差、干擾雜波多及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的難點(diǎn),通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),可以通過(guò)以下6個(gè)措施加以解決。
(1)透聲性差,從檢測(cè)儀器使探頭及檢測(cè)方法上進(jìn)行改進(jìn)。超聲波檢測(cè)儀器選用發(fā)射強(qiáng)度大、靈敏度余量高的設(shè)備;探頭選用靈敏度高的縱波雙晶探頭,并制作專(zhuān)用低頻探頭,頻率低則波長(zhǎng)長(zhǎng),超聲波穿透性能好;檢測(cè)方法采用一次縱波法檢測(cè),縱波波速快、波長(zhǎng)長(zhǎng)。
(2)針對(duì)聲能耦合差的問(wèn)題,采用黏度較大的黃油或機(jī)油作耦合劑。
(3)針對(duì)干擾雜波多的問(wèn)題,研制了專(zhuān)用的探頭。采用不同焦距的雙晶探頭,使波束能量更加集中到所需要檢測(cè)的部位,采用小角度探頭有利于降低干擾雜波;從而提高缺陷的檢出率。
(4)針對(duì)小R部位裂紋類(lèi)缺陷檢測(cè)問(wèn)題,根據(jù)小R部位厚度變化,采用不同焦距的雙晶大角度縱波探頭用一次波檢測(cè)。
(5)用縱波雙晶小角度 (5°)探頭檢測(cè)筒體和小R過(guò)渡區(qū)氣孔、縮孔及夾雜等缺陷。
(6)用縱波雙晶大角度 (42°)探頭檢測(cè)筒體和小R過(guò)渡區(qū)裂紋類(lèi)缺陷。
(1)造紙鑄鐵烘缸壁厚減薄涉及剩余壁厚的安全裕量,硬度降低涉及強(qiáng)度降低多少,兩者皆需要在在線(xiàn)檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行強(qiáng)度校核確定。
(2)氣孔、縮孔等缺陷使造紙鑄鐵烘缸在使用過(guò)程中易疏松脫落,縮孔擴(kuò)大。針對(duì)上述缺陷應(yīng)對(duì)烘缸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算校核,確保必須滿(mǎn)足強(qiáng)度計(jì)算要求。根據(jù)《造紙機(jī)械用鑄鐵烘缸技術(shù)條件》和《固定式壓力容器安全監(jiān)察規(guī)程》中關(guān)于表面缺陷可以用螺紋塞頭修補(bǔ),但塞頭深度不得大于截面深度的40%,塞頭直徑不得大于塞頭深度,且不大于8 mm的規(guī)定進(jìn)行適當(dāng)放寬,氣孔、縮孔等類(lèi)似圓形缺陷,若最大直徑≤4.0 mm,深度不大于截面深度的40%,可暫不處理;若最大直徑≤10.0 mm,深度不大于截面深度的40%,塞頭直徑不大于10 mm,安全狀況等級(jí)可判定為3 級(jí)[12]。
氣孔較多的烘缸在一定條件下可以鉚補(bǔ),但補(bǔ)孔數(shù)增加,烘缸強(qiáng)度有所減弱,因此,規(guī)定在用烘缸缸面的補(bǔ)孔總數(shù)每平方米不得超過(guò)10個(gè),且在任意100 mm×100 mm面積內(nèi)的補(bǔ)孔數(shù)不應(yīng)超過(guò)10個(gè)。
(3)造紙鑄鐵烘缸在線(xiàn)檢驗(yàn)過(guò)程中不允許出現(xiàn)裂紋,若發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷,打磨消除后強(qiáng)度校核合格,可不影響正常定級(jí),否則應(yīng)判為5級(jí)不合格,必須報(bào)廢。對(duì)于深度小于2 mm的裂紋類(lèi)缺陷,在線(xiàn)檢驗(yàn)比較難以發(fā)現(xiàn),通過(guò)對(duì)此類(lèi)裂紋缺陷的研究可知其基本處于安全評(píng)定的安全范圍內(nèi),可安全使用。
[1] 章春亮.Φ1500寬幅鑄鐵烘缸設(shè)計(jì)研究[J].輕工機(jī)械,2001(4):10.
[2] 章春亮.鑄鐵烘缸缸體與缸蓋聯(lián)結(jié)螺栓設(shè)計(jì)[J].中國(guó)造紙,2002,21(6):39.
[3] 徐 麗.鑄鐵缺陷無(wú)損檢測(cè)方法的研究現(xiàn)狀[J].鑄造,2002,51(9):11.
[4] 張東?。菢?biāo)準(zhǔn)烘缸的檢驗(yàn)及安全評(píng)定[J].中國(guó)造紙,1995,14(2):38.
[5] 李 蔚,馮 彬.進(jìn)口造紙鑄鐵烘缸的檢驗(yàn)與評(píng)定[J].中國(guó)造紙,1995,14(2):38.
[6] 黃雪坤,王志文.在用鑄鐵烘缸缺陷評(píng)定方法的研究與工程實(shí)踐[J].化工機(jī)械,1995,22(4):233.
[7] 劉 勇.鑄鐵超聲波檢測(cè)與裂紋高度測(cè)定的實(shí)際應(yīng)用[J].化工機(jī)械,2005,29(2):42.
[8] 章春亮.烘缸法蘭不連續(xù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析[J].中國(guó)造紙學(xué)報(bào),2002,17(2):87.
[9] 承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè),JB4730—2005[S].
[10] 造紙機(jī)械用鑄鐵烘缸技術(shù)條件,QB2551—2002[S].
[11] 造紙機(jī)械用鑄鐵烘缸設(shè)計(jì)規(guī)定,QB/T2556—2002[S].
[12] 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程,TSG R0004—2009[S].CPP
On-line Testing of the Defects of Paper Machine Cast Iron Dryer
LI Wen-wei1,*DI Gang1FAN Wen-jia2
(1.Hangzhou Administration of Quality Control Supervision,Hangzhou,Zhejiang Province,310006;2.East China Normal University,Shanghai,200062)
Based on more than 3,400 tests on cast iron dryers in Hangzhou area,an ultrasonic testing technic with longitudinal wave doublecrystal probe was established.With this technic the volume defects were identified through testing the air holes,shrinkage cavities and inclusions in the dryer cylinder and small R transition zone with longitudinal wave double crystal probe at a small angle(5°),and the plane defects of deep cracks were found through testing the dryer cylinder and small R transition zone with longitudinal wave double crystal probe at a large angle(42°).It provided the solution to the issues of how to use the thickness measurement in regular online testing cast iron dryers to calculate their strength or compare with the design value,how to adjudge the low hardness value,how to determine the key parts foe online testing,how to conduct safety assessment of the cast iron dryers with small cracks.
papermaking;cast iron;dryer;defects;causes;test
TS734
A
0254-508X(2012)03-0030-06
李文煒先生,碩士;主要從事鍋爐、壓力容器等特種設(shè)備安全監(jiān)察、檢測(cè)及自動(dòng)控制方面的研究工作。
(*E-mail:liwenwei5460@163.com)
2011-10-28(修改稿)
(責(zé)任編輯:趙旸宇)