懸臂式煤氣加壓機蝸殼開裂故障研究

吳松林

（1.衡陽華菱鋼管有限公司，湖南衡陽 421001；2.南華大學，湖南衡陽 421001）

0 引言

衡陽華菱鋼管有限公司（以下簡稱華菱衡鋼）有4 臺AI770型懸臂式煤氣加壓機，負責全公司高爐煤氣的加壓及轉供，其運行狀況直接影響著各工業爐的正常運行。蝸殼（又稱氣缸體）開裂是影響煤氣加壓機穩定及安全運行的一項重大隱患，因此通過分析AI770 型懸臂式煤氣加壓機蝸殼開裂的各類原因，提出相應的處理方法。

1 AI770 型懸臂式煤氣加壓機的結構特點及技術參數

該加壓機的結構特點有4 個，分別是：

（1）加壓機為單級懸臂離心式結構，使用電機通過聯軸器直聯驅動。

（2）蝸殼由鑄鐵制成，材料為灰口鑄鐵HT250，氣缸體沿軸線水平中分面分成上、下兩部分，通過螺栓固定在軸承箱上[1]。

（3）主軸采用高強度合金鋼鍛件，軸承箱用鑄鐵制成，沿軸線水平中分面分成上、下兩部分。

（4）油密封采用迷宮密封，氣密封采用組合式密封：迷宮密封+氮氣（N2）密封，氮氣壓力為0.15～0.2 MPa。

煤氣加壓機的介質為高爐煤氣，其他技術參數見表1。

表1 煤氣加壓機的技術參數

2 蝸殼開裂原因分析

2.1 疲勞破壞

（1）現象。2019 年9 月，2#煤氣加壓機附近固定式CO 煤氣報警儀報警，相關人員攜便攜式CO 報警儀到現場檢測，發現2#機下蝸殼處有大量煤氣泄漏。停機后檢查發現，機組下蝸殼法蘭與蝸殼面連接處出現裂紋（圖1）。

圖1 2#加壓機蝸殼法蘭與蝸殼連接處產生疲勞裂紋

（2）原因分析。鑄鐵材料的蝸殼在熱疲勞[2]和機械疲勞[3]共同作用下，應力應變較大的區域易發生多源疲勞開裂，疲勞裂紋多發生在應力最大和疲勞特性最薄弱的部位[4]。因鑄鐵的性能對壁厚較敏感[5]，易使該處組織疏松，石墨粗大，硬度低，當這些部位的厚度與周圍連接壁相差過大時易產生裂紋等缺陷。疲勞裂紋萌生和擴展也是疲勞破壞產生的過程，當裂紋擴展到臨界尺寸時可能會發生突然斷裂。

AI770 型煤氣加壓機未配備專用的氣道冷卻設施，因此進出口溫度溫差較大，進出口溫差最高時可超過50 ℃。首先，煤氣加壓機的進出口的溫度變化與原料氣——高爐煤氣溫度的變化密切相關。高爐煤氣的進口溫度一般在50 ℃左右，但其受高爐爐況的影響較大，如高爐爐況不穩定，溫度可達100 ℃以上。因此，煤氣加壓機受到了一定的熱負荷，且熱負荷的波動較大。其次，由于煤氣加壓機的結構為懸臂式、單支撐結構，整個葉輪只有電機側一端有支撐，受高速旋轉的葉輪（轉速2980 r/min）、氣流變化或沖擊等會產生機械振動。最后，經測量該煤氣加壓機蝸殼的厚度為16 mm，而與之相接觸的法蘭厚度為40 mm，因鑄鐵的性能對壁厚具有敏感性，厚度與周圍連接壁相差過大時易產生裂紋。

因此，綜合熱負荷、振動產生的機械負荷以及鑄鐵對壁厚的敏感性等因素，造成了2#加壓機下蝸殼法蘭與蝸殼連接處產生裂紋。

2.2 水平法蘭面變形

（1）現象。2018 年12 月，1#煤氣加壓機大修，當拆除加壓機上蝸殼后，發現上蝸殼水平法蘭面內側螺栓孔處有裂紋（圖2）。而且將該蝸殼送至水平檢測平臺上檢測后發現，上蝸殼法蘭面有變形，即法蘭面產生了一定的擾度，且裂紋產生處的擾度最大。

圖2 1#加壓機上蝸殼平面法蘭螺栓孔處裂紋

（2）原因分析。鑄鐵變形[6]時有發生，這是由于鑄件冷卻速度不均勻等原因而產生了鑄造應力。鑄件冷卻過程中產生的鑄造應力如超過合金在該溫度下的屈服強度，則產生殘留變形；如在彈性強度范圍內，就表現為殘留應力，則可能改變設計強度，甚至使鑄件在存放或使用過程中發生變形。因而，蝸殼的水平法蘭平面可能因鑄造應力產生變形，即法蘭面兩端翹起，中間拱（凸）起或扭變翹曲。蝸殼上、下法蘭面上、下法蘭是用螺栓壓緊固定，由于撓度或反擾度的存在，當蝸殼拆卸后再次安裝時存在撓度的法蘭面會受到較大的外部壓力或拉力，蝸殼經過多次重復拆裝，法蘭面受到多次外部的壓力和拉力，當外力超過其自身的屈服強度時易導致法蘭面開裂[7]。

2.3 鑄造缺陷

2.3.1 模具缺陷

（1）現象。2020 年5 月，2#煤氣加壓機更換全新鑄造的上、下蝸殼，進行首次拆機維保。在所有緊固螺栓拆除后，并用頂桿螺絲將上下蝸殼法蘭面已分離，將吊索掛在上蝸殼內外兩側吊耳上后，通過電動葫蘆起吊，上蝸殼剛起吊約20 mm 后外側吊耳突然斷裂（圖3）。

（2）原因分析。蝸殼為鑄造件，鑄造模具存在缺陷或問題，易造成蝸殼厚度不均勻，蝸殼在拆卸或吊裝過程中，厚度較薄的部分可承受的外力較設計小，吊裝時易出現裂紋，甚至斷裂。從圖3 可知，吊耳蝸殼面的上、下面厚度不均勻，左側明顯偏薄，該斷裂面最薄處僅為5 mm，而設計厚度為16 mm。并且，該壁厚薄弱處位于吊耳下方位，起吊過程中該處受到向上的拉力，因其可承受的外力較設計小，造成起吊過程中吊耳斷裂。

圖3 蝸殼吊耳斷裂

2.3.2 工藝缺陷

（1）現象。對斷裂的2#煤氣加壓機新更換上蝸殼后進行檢查，發現蝸殼內側表面有許多細小孔洞，且最大的孔直徑超過10 mm，孔洞周邊有細小縫隙（圖4）。

圖4 蝸殼內表面有細小孔洞及縫隙

（2）原因分析。蝸殼鑄造過程中，氣體在金屬中的溶解和析出是一個可逆過程，隨著溫度的增高，氣體的溶解度增大；溫度降低，氣體溶解度減少，析出量增大。氣體外界分壓力降低時，氣體在金屬中的溶解度降低，氣體將析出。如果氣泡不能逸出金屬液表面，則將在金屬內部形成氣孔，氣孔減少了蝸殼的有效截面積，易使局部造成應力集中，形成裂紋源[8]。

2.3.3 材料缺陷

（1）現象。對新蝸殼內外表面進行磁粉探傷，發現蝸殼內部有多處裂紋。因該蝸殼為更換的新蝸殼，裂紋不應為疲勞等原因產生（圖5）。

圖5 新更換的蝸殼內表面有裂紋

（2）原因分析。灰鑄鐵的化學成分由兩部分組成：一是基本成分，即C、Si、Mn、P、S 五大元素，其中起決定性作用的是C、Si 的含量；二是根據需要，加入少量的合金元素，如Cu、Cr、Mo、Ni、Sb、Sn 等。對2#煤氣加壓機新蝸殼取樣進行檢驗，結果見表2。

表2 2#煤氣加壓機新蝸殼與HT250 灰鑄鐵標準成分對比

由表1 可知，2#煤氣加壓機新蝸殼中的C（碳）含量達到了4.13%，超出標準含量上限值3.3%、約25%。鑄鐵中C 的含量對其力學性能起著決定性作用，含碳量過高，在鑄件表層凝固結殼后心部的液態金屬繼續結晶產生石墨化膨脹，當膨脹引起的應力超過殼體的抗拉強度，將會造成蝸殼產生裂紋[9]。

Mn（錳）是鑄鐵中穩定滲碳體與促使珠光體化的元素。相關數據表明，Mn 含量對灰鑄鐵屈服強度和抗拉強度有著明顯影響，隨著Mn 含量的逐步升高，HT250 的屈服強度σs、抗拉強度σb和表面硬度HB 逐步提升后，在Mn 含量約1.1%時HT250 型灰鑄鐵力學性能最佳（表3）。

表3 Mn 含量對HT250 機械性能的影響[10]

由表2 可知，新蝸殼中Mn 含量偏低，僅為標準含量下限值的46%，導致蝸殼的抗拉強度等力學性能偏低，在受到外力作用時易產生裂紋或斷裂。

2.4 拆卸不規范

（1）現象。2019 年7 月，4#煤氣加壓機正常停機后，拆上蝸殼對機組進行維保，拆機前對上下蝸殼進行全面檢查，未發現有裂紋。當上蝸殼吊出平放在地板上后，發現蝸殼水平法蘭面一側的一個角出現裂紋（圖6）。

圖6 4#煤氣加壓機法蘭角出裂紋

（2）原因分析。該類型蝸殼厚度約為16 mm，直徑1.5 m，重達1.5 t 以上。在拆卸過程中，由于吊裝不規范，導致起吊過程中蝸殼的水平法蘭面一側處于；蝸殼起吊后下落過程中，因操作不當起重設備下降速度過快，在蝸殼自重的作用下，在蝸殼接觸混凝土地面的過程中，偏低一側的法蘭角重重的砸向地板、受到較大沖擊。沖擊力如果超過蝸殼的屈服強度，蝸殼將會產生裂紋甚至斷裂。

3 裂紋處理

煤氣加壓機蝸殼成本較高、制造周期長，一般情況下蝸殼出現裂紋時不會立即進行報廢。為節約成本，縮短檢修周期，可通過一定的方法對有裂紋或開裂的蝸殼進行修復，使其繼續滿足使用功能。常用的蝸殼裂紋修復方法有3 種，分別是冷補修復、焊接修復、冷補+焊接修復。

3.1 冷補修復

冷補修復是通過密封膠或粘膠劑，按照一定的工藝流程和處理方法，將裂紋或裂縫進行封堵[11]，避免煤氣從裂紋或裂縫中泄漏（圖7）。冷補修復方式的優缺點分析如下。

圖7 加壓機下蝸殼冷補修復點

（1）優點：冷補修復操作相對簡單，無需拆除蝸殼，勞動強度低，對作業人員技術水平要求相對較低；修復后密封性較好，不易造成煤氣泄漏。

（2）不足：無法修復裂縫較大或者斷裂的蝸殼，修復點的機械強度低，不適用于受外力大、振動大的部位，且冷焊密封膠凝固的時間較長。

此方式適用于蝸殼鑄件裂縫較小、封堵點不常拆卸、振動小、受外力的較小部位。

3.2 焊接修復

焊接修復是利用電弧焊或其他類型焊機，按照一定的工藝流程，通過焊接的方式將裂縫或斷裂的蝸殼進行修復[12]，使蝸殼恢復使用功能（圖8）。焊接修復的優缺點分析如下。

圖8 加壓機上蝸殼裂縫焊接修復

（1）優點：焊接修復機械強度高，適用于受外力相對大、振動大的部位；修復后的耐久度較好，可用于需經常拆卸的部位。

（2）缺點：對焊接人員技術要求，如焊接順序、各個階段焊機電流大小的控制等；焊接工藝較復雜，如對焊件的加熱溫度控制、焊接完畢后的保溫時間等要求較高[13]。

此方式適用于蝸殼斷裂或裂縫較大的部位，修復點機械強度要求高，振動較大或需經常拆卸的部位。

3.3 焊接+冷補修復

此修復方法結合了焊接修復和冷補修復方式，即通過焊接方式將較大的裂紋或斷裂部位進行初修復，通過焊接恢復裂紋及斷裂部位一定的機械性能；通過冷補修復，將焊接點周邊細小的裂紋或裂縫進行精修復，確保修復件的密封性良好，避免煤氣泄漏（圖9）。該修復方式的優缺點分析如下。

圖9 加壓機上蝸殼吊耳斷裂焊接修復+冷補修復

（1）優點：此種蝸殼修復方法具有較好的機械性能，適用于受外力較大、振動大、需拆卸的部位；且修復后的密封性較好，不易造成煤氣泄漏。

（2）缺點：此種修復方法的工藝復雜、流程較長、修復的時間長。對焊接人員的水平要求較高，而且冷補修復后的凝固時間也需要較長。

4 總結

（1）蝸殼為鑄鐵材料的懸臂式煤氣加壓機在使用和運行過程中，蝸殼產生裂紋的原因主要有疲勞破壞、鑄件變形、鑄造缺陷、拆卸問題等。其中，疲勞破壞、鑄件變形破壞常發生在蝸殼使用較長一段時間后；鑄造缺陷產生的裂紋或破壞一般發生在蝸殼投運初期；拆卸不規范造成的裂紋與作業人員的技能水平有直接關系。

（2）鑄鐵材料的蝸殼開裂常用的修復方法有冷補修復、焊接修復以及冷補+焊接修復3 種方式。其中，裂紋小、受力小的部位可采用冷補修復；裂紋大、受力大的部位可采用焊接修復的方法；冷補+焊接修復效果最好，但作業要求最高、時間最長。