王成健， 王一晨， 王 偉*

(1.東北林業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150086；2.安徽工程大學(xué)經(jīng)濟與管理學(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)也是國家的基礎(chǔ)建材原材料工業(yè)，是一個國家經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。2021年我國水泥熟料產(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程的關(guān)鍵核心設(shè)備[2]。常見窯筒體直徑數(shù)米，長度幾十米，由厚度不等的筒段節(jié)現(xiàn)場組對拼焊而成，窯頭噴煤燃燒器伸入筒體內(nèi)部，通過噴出的煤粉燃燒產(chǎn)生的熱輻射、傳導(dǎo)、對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技術(shù)研究和窯筒體安全壽命評估以及由缺陷引起的破壞研究十分具有現(xiàn)實意義。

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)場對每個窯筒節(jié)的對接組焊以及焊接質(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程中的質(zhì)量問題出現(xiàn)[5]。目前，在回轉(zhuǎn)窯筒體缺陷探傷檢測方面，對于承壓設(shè)備缺陷的無損檢測，常見的方法有：射線檢測、超聲檢測、磁粉檢測和滲透檢測等，每一種無損檢測方法都有各自的優(yōu)缺點和特性，傳統(tǒng)無損檢測方法對比見表1。

表1 傳統(tǒng)無損檢測方法對比

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

在回轉(zhuǎn)窯筒體無損檢測方面，由于回轉(zhuǎn)窯是高溫設(shè)備，需在停機狀態(tài)下且窯筒體表面溫度冷卻至室溫，通過人工利用超聲波無損檢測技術(shù)檢測窯筒體外表面，檢測速度慢、周期長，高空作業(yè)勞動強度大，靈活性、跟蹤能力差，且具有滯后性，檢測具有隨意性，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[6-9]。

1 基本原理

紅外無損檢測技術(shù)是將可控?zé)彷d荷(如脈沖、連續(xù)循環(huán)加熱等)主動應(yīng)用到被測目標(biāo)對象上，使材料中的缺陷或損傷可以通過表面溫度梯度來呈現(xiàn)。紅外熱成像系統(tǒng)用于連續(xù)觀測和記錄被測目標(biāo)物體表面溫度場的變化，對被測物體的紅外熱成像序列進(jìn)行采集、處理和分析后，可以實現(xiàn)對物體內(nèi)部缺陷的快速檢測和定性識別。

回轉(zhuǎn)窯筒體紅外無損檢測原理圖如圖2所示。對于常見的裂紋、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，通過表面溫度梯度的差異很容易檢測到缺陷[10]。

圖2 紅外無損檢測原理圖

2 數(shù)值模型及簡化

本文以水泥5 000 t/d生產(chǎn)線(?4.8 m×74 m回轉(zhuǎn)窯)為研究對象，圖3所示為水泥回轉(zhuǎn)窯現(xiàn)場整體概況。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，本文做以下簡化：

圖3 水泥回轉(zhuǎn)窯現(xiàn)場概況圖

(1)回轉(zhuǎn)筒體跨度很長，且在工作運轉(zhuǎn)過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于筒體長度來說比較小，不考慮窯內(nèi)耐火磚表面的輻射熱交換和窯筒節(jié)側(cè)面的對流傳熱。

2.1 數(shù)值計算結(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，主要通過三個步驟來完成，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)熱通量載荷溫度對不同尺寸缺陷檢測的影響，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，缺陷越容易被檢測到。通過數(shù)值模擬分析求解結(jié)果，缺陷寬度在1 mm時，隨著窯內(nèi)熱通量載荷溫度增大，筒節(jié)表面熱對比度溫差增加幅度0.5 ℃；缺陷寬度在6 mm變化時，隨著窯內(nèi)熱通量載荷溫度增大，筒節(jié)表面熱對比度溫差增加幅度0.6 ℃，表明窯筒節(jié)表面熱對比度溫差值與缺陷寬度尺寸線性相關(guān)。因此，可以通過檢測提取回轉(zhuǎn)窯筒體表面溫度梯度差值來定性確認(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)域與無缺陷區(qū)域的表面溫差變化規(guī)律，揭示了紅外無損檢測技術(shù)在回轉(zhuǎn)窯筒體裂紋在線檢測中的作用，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)。