鑄鐵烘缸及其安全保護裝置檢驗有效性分析探究

2023-12-29 00:00:00李曹賢

機電信息 2023年14期

摘要：鑄鐵烘缸屬于較小眾和特殊的壓力容器，其結構特征、材質特性、安全保護裝置、設計制造標準、損傷模式與傳統的鋼制壓力容器不同。鑒于此，以造紙用灰鑄鐵烘缸為例進行針對性分析研究，提出了科學有效施檢的策略，有助于避免機械執行法規標準而導致的責任事故。

關鍵詞：鑄鐵烘缸；檢驗檢測；減壓閥；安全保護裝置

中圖分類號：TS734+.7" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：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、沿水平軸轉動的圓筒形換熱容器，其結構如圖1所示。工作時，在缸體內通入蒸汽，通常用于造紙行業對紙張進行熨燙，最后冷凝水經虹吸管從疏水閥排出缸體。因此，鑄鐵烘缸屬于《特種設備安全法》監管的承壓設備。近年來，鑄鐵烘缸爆炸事故時有報道，在質檢特函〔2016〕31號《質檢總局特種設備安全監察局關于加強高風險鍋爐壓力容器安全監察工作的通知》中，明確將烘缸納入高風險監管，需要按照特種設備安全技術規范TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》（以下簡稱《容規》）進行檢驗，安全狀況符合要求方可使用。

造紙烘缸常用灰鑄鐵來制造，其屬于脆性材料，抗拉強度、塑性、韌性都比壓力容器常用的鋼材要低，除用于烘缸外，未見有用于制造其他壓力容器的報道。筆者查閱了壓力容器檢驗行業流行的相關教材，均未見對鑄鐵烘缸檢驗的詳細描述。鑄鐵烘缸的材料特性、制造工藝、應力分布（存在回轉運動）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安全附件，以上情況給鑄鐵烘缸檢驗的有效實施帶來了挑戰。本文通過對鑄鐵烘缸本質安全進行分析探究，結合筆者多年工作經驗，試圖提出切實可行的有效檢驗策略，從而提供技術支撐和保障。

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。國際上，化學成分不作為鑄件驗收的依據，但鑄件必須滿足材料標準規定的力學性能和金相組織要求。我國早已掌握了先進的鑄鐵熔煉工藝。目前，造紙烘缸常用的灰鑄鐵HT200和HT250，其力學性能參數如表1所示，其金相組織為珠光體（基體組織）+片狀石墨，石墨熱導率比珠光體大，因此，灰鑄鐵具有良好的導熱性；此外，灰鑄鐵液的流動性良好，凝固過程中，線收縮率和體收縮率較小，不易發生開裂；同時，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展。根據灰鑄鐵的高溫機械性能曲線，從室溫至400 ℃，灰鑄鐵的力學性能指標變化不大，350 ℃以下，灰鑄鐵很穩定，幾乎不氧化和生長。

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于碳鋼，特別是熨燙時，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》采用提高冗余量的方式，規定灰鑄鐵用于壓力容器時，室溫下抗拉強度安全系數應不小于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、兩側的缸蓋、缸蓋與缸體間的連接螺栓，支撐件為缸蓋中心的轉軸、機架底座。造紙用鑄鐵烘缸的外徑常見為1 800 mm和2 000 mm這兩個系列，缸體長度多為2 000～6 000 mm。設計允許參數如表1所示。

1.3" " 鑄鐵烘缸的安全保護裝置

從國內公開的事故調查來看，鑄鐵烘缸發生爆炸，基本是超壓運行導致[1]。一般情況下，鍋爐房產出的蒸汽要供給到企業各車間生產工段，但鑄鐵烘缸的用汽壓力往往比其他工段的用汽壓力低，如果烘缸進汽口前的供汽管道上未裝設超壓自動泄放裝置的話，極易發生超壓事故。此外，鑄鐵烘缸內的蒸汽需要連續安全平穩地供給，方能保證生產運行，因此，在超壓自動泄放裝置前需裝設減壓裝置，實現安全冗余。可按圖2所示裝設，圖中電接點壓力表可接入鍋爐控制系統，實現超壓聯鎖保護。為防止雜質流入，造成減壓閥卡阻失靈，減壓閥前必須安裝過濾器。

減壓閥是安全保護裝置的核心部件，從流體力學的觀點看，減壓閥是一個局部阻力可以變化的節流元件，即通過改變節流面積，使流速及流體的動能改變，造成不同的壓力損失，從而達到減壓的目的，然后依靠控制與調節系統的調節，使閥后壓力的波動與彈簧力相平衡，并在一定的誤差范圍內保持恒定。

按照作用形式，減壓閥可分為先導式和直動式。先導式減壓閥的結構如圖3所示。使用時，拆下蓋帽，松開防松螺母，順時針轉動調節螺釘，調節彈簧被壓縮，推動膜片向下動作，導閥芯開啟，介質通過導閥芯順著導流孔到達主閥活塞上方，推動活塞向下動作，帶動主閥芯開啟，閥后壓力開始上升，閥后壓力經過主閥體內的導流孔，到達導閥膜片下方，和調節彈簧作用力達到平衡，導閥芯和主閥芯都保持一定開度，出口壓力保持穩定，當出口壓力上升時，導閥膜片下方壓力隨之上升，膜片向上移動，導閥芯在導閥彈簧作用下趨向關閉，流向主閥活塞上方的介質壓力減小，主閥芯在主閥彈簧作用下逐漸關閉，使閥后壓力下降，重新恢復到設定值，當出口壓力下降時，導閥膜片下方的壓力也下降，在調節彈簧作用下，膜片向下移動，導閥芯趨向開啟，流經主閥活塞上方的介質壓力增加，活塞推動主閥芯開度加大，使閥后壓力上升，又恢復到設定值。

直動式減壓閥的結構如圖4所示，使用時，順時針轉動蓋帽內的調節螺釘，使得調壓彈簧被壓縮，從而推動膜片和閥桿下移，將閥芯打開，輸出口輸出蒸汽，同時輸出的氣壓經反饋作用在膜片上產生向上的推力，并在與調壓彈簧作用力相平衡時穩定地輸出壓力。可見，先導式減壓閥比直動式減壓閥靈敏、可靠得多，減壓比也更大。

2" " 鑄鐵烘缸的生產標準

1988年4月，我國原輕工業部首次頒布了ZB Y91 003—1988《造紙機械用鑄鐵烘缸技術條件》，第二年又頒布了ZB Y91 008—1989《造紙機用鑄鐵烘缸設計規定》，這兩部標準分別在2002年和2008年進行過修訂，2021年兩部標準合二為一，即QB/T 2551—2021《造紙機械用鑄鐵烘缸》。該標準（以下統稱“鑄鐵烘缸產品標準”）頒布以來，一直用于造紙鑄鐵烘缸的設計、制造、出廠檢驗等，因此該標準應作為研究有效檢驗的重要參考依據。

3" " 在用鑄鐵烘缸檢驗項目的實施及有效性分析

對烘缸進行受力分析、腐蝕分析、材質劣化分析等，是實施有效檢驗的前提。

烘缸工作時，缸蓋不僅承受內壓，還承受缸體自重，且由于缸體不停地旋轉，缸蓋一直在承受循環的應力，容易導致疲勞；烘缸的內外壁存在溫差應力，當疏水系統失靈時冷凝水受離心力作用會引起彎曲應力，因此，在應力集中的缸蓋軸孔周圍、人孔圈周圍以及缸體肩部區域（圖1），易誘發裂紋。同時這些不連續的區域，往往也容易出現氣孔、縮孔等制造遺留缺陷，烘缸使用一定時間后，制造遺留缺陷處也易伴生裂紋。

在制造時，如果鑄鐵內部存在分層缺陷，烘缸長期使用后，分層處可能出現局部脫落；內表面與蒸汽接觸，可能發生沖蝕；外表面與潮濕的紙張接觸，可能發生水汽、酸、堿腐蝕以及紙張對缸面的機械磨損，為保持缸面的光潔度，使用單位可能對缸體外表面進行磨削。這些都會造成壁厚減薄。

灰鑄鐵長期超溫運行可能引起石墨類型改變、長度變短、尖端出現微裂紋，珠光體數量減少，碳化物和磷共晶數量增加，影響材料機械性能。

3.1" " 資料審查

首先，可用于制造烘缸的鑄鐵材料牌號《容規》有明確規定；其次，用于制造造紙烘缸的灰鑄鐵，其歷年頒布的材料標準均規定，不許有裂紋、冷隔、縮孔等影響使用性能的缺陷產品出廠。一直以來，我國對壓力容器的制造過程實行監督檢驗制度，符合特種設備安全技術規范要求的，發放監督檢驗證書，方可出廠安裝使用。因此，對于使用后首次實施檢驗的鑄鐵烘缸，應先查閱其出廠資料是否齊全，核對烘缸實物的銘牌信息、外觀尺寸與監檢證書、竣工圖等出廠資料上的記載是否一致；核查材質證書的信息，確定材料以及設計參數是否符合相應制造年份的《容規》和鑄鐵烘缸產品標準的規定。

3.2" " 宏觀檢驗

首次實施定期檢驗時，應對結構和幾何尺寸進行檢驗，重點檢測不連續區域的幾何參數是否符合鑄鐵烘缸產品標準的規定。若發生了修補，則應檢查修補部位及補孔是否符合鑄鐵烘缸產品標準的規定，是否誘發裂紋。目視檢查烘缸內外表面有無裂紋、氣孔、縮孔、脫落、沖蝕、磨損等缺陷，結構不連續區域及修補部位可借助放大鏡和亮度達標的手電仔細檢查。兩側缸蓋的螺栓，按上下左右各抽兩顆檢查是否有裂紋，M36及以上的螺柱應逐個清洗檢查是否有裂紋。檢查缸體內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。檢驗人員無法進入烘缸內部檢驗的，可借助內窺鏡檢查。

3.3nbsp; " 硬度檢查

灰鑄鐵受拉時，幾乎沒有屈服階段，其硬度與抗拉強度值存在線性關系，測出硬度值即可知曉抗拉強度值是否滿足要求。硬度值超過標準上限，可能材質已發生老化，鑄鐵的總碳量降低或者石墨由A型轉變為D型，硬度值會明顯提高，應進一步進行金相檢驗和無損檢測；硬度值降低，可能發生了壁厚減薄，應進一步進行超聲波測厚，這是因為鑄造時外壁冷卻快，晶粒細，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，從而帶來力學性能的差別，越靠近缸體中心，硬度值越低。

硬度測試方法：測試位置的表面光潔度應達到2 μm，測試點選取離缸體兩端80～100 mm范圍內，并避開缸體與端蓋的結合處，每端各測兩點，所測四點的硬度算術平均值為缸面硬度值。硬度的合格標準可參考表2。

3.4" " 壁厚測定及強度校核

為檢測剩余的厚度值是否還滿足承壓強度要求，通常采用超聲測厚。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，因此，超聲波在灰鑄鐵中的衰減較大，普通的數字式測厚儀無法測出厚度值，通常應使用帶A掃描顯示數字式測厚儀和低頻率、晶片尺寸大的直探頭來測量。調整增益，借助儀器顯示屏上找到的一、二次底波，驗證顯示屏上厚度示值的準確性。應注意：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，近場區的長度也越大，若近場區長度超過了工件厚度，則儀器也無法顯示厚度示值。實驗表明，選用頻率為1 MHz、晶片尺寸為13 mm的直探頭進行測量，效果較好。

不同牌號、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，測厚前可先用卡尺在缸體邊緣測出厚度值，再用測厚儀在該處校核聲速后開始測量，鑄鐵的聲速范圍在4 100～5 000 m/s[4]。通常沿所測缸體的軸長，在對稱中心及兩邊取橫截面，每個截面上均布4個測厚點。若發現局部減薄，可采用網格法（圖5）確定減薄區域。

鑄鐵烘缸不允許補焊[5]，其強度計算公式可查設計圖紙中給出的設計標準（如QB/T 2556—2002《造紙機械用鑄鐵烘缸設計規定》），常見的烘缸計算厚度如表1所示。

3.5" " 表面無損檢測

對于宏觀檢驗中有懷疑的部位以及應力集中的不連續區域，應100%進行磁粉檢測，檢測時，被檢部位的表面狀況、光照度、檢測工藝應符合文獻[6]的規定，確保檢出率。

3.6" " 水壓試驗及聲發射檢測

水壓試驗能夠考察烘缸的整體強度、密封性能，同時能夠對微裂紋產生閉合效應，鈍化微裂紋尖端。當對烘缸內部難以實施檢驗時，水壓試驗是一種有效的檢驗方法，可結合聲發射檢測一并進行，聲發射檢測可監測烘缸是否存在活性缺陷，如果存在Ⅲ級、Ⅳ級定位源，應停止繼續升壓，采用常規無損檢測方法驗證定位源處是否存在缺陷。目前，灰鑄鐵HT250可按文獻[7]進行檢測判定。若聲發射檢測未見明顯異常，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進行檢查。檢查期間壓力保持不變，無滲漏、無異響、無可見變形，方為合格。

水壓試驗前應對烘缸實測最小壁厚的允許工作壓力進行確認，以確保安全，試驗水溫不得低于5 ℃，試驗前應采取有效措施保證連接轉軸不會受到水自身重力的影響，支承工裝要牢固，試驗后應排凈積水。

3.7" " 安全保護裝置檢查

減壓閥是保證鑄鐵烘缸不超壓運行的特有部件，非常關鍵，但由于安裝位置不在烘缸上，對烘缸檢驗時，減壓閥往往被忽略，最終引發事故。大于DN50的減壓閥屬于壓力管道元件，按文獻[8]的規定應進行型式試驗，無型式試驗證書的減壓閥不得用于特種設備。應對照銘牌信息[9]，核查適用介質，進、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。烘缸投用前應觀察出口壓力是否符合要求，若經過調整后，減壓閥出口壓力依然不符合要求，應拆卸進一步檢查閥瓣與閥座的磨損程度，彈簧是否變形、損壞。減壓閥前的過濾器應定期清理維護，蒸汽潔凈才能確保減壓閥運行可靠性，延長使用壽命。

應使用符合文獻[10]要求的全啟式安全閥，并按規定定期校驗，整定壓力不得高于烘缸的允許使用壓力，其流道直徑應能滿足文獻[11]規定的排放量要求，生產運行中，應定期進行手動排放試驗，以防失效。

4" " 結束語

鑄鐵烘缸是一種非常規的壓力容器，應通過對其固有特性進行分析，選擇科學有效的檢驗手段，從而規避盲目、機械地執行安全技術規范，從本質上保證檢驗質量，并為企業安全生產提供技術支撐，降低風險。

[參考文獻]

[1] 戴莉軍，洪朝，勵凱宏.烘缸爆炸原因分析[J].特種設備安全技術，2017（5）：13-15.

[2] 灰鑄鐵件：GB/T 9439—2010[S].

[3] 造紙機械用鑄鐵烘缸：QB/T 2551—2021[S].

[4] 超聲波測厚儀校準規范：JJF 1126—2004[S].

[5] 固定式壓力容器安全技術監察規程：TSG 21—2016[S].

[6] 承壓設備無損檢測第4部分：磁粉檢測：NB/T 47013.4—2015[S].

[7] 無損檢測鑄鐵構件檢測第3部分：聲發射檢測方法：GB/T 31213.3—2014[S].

[8] 壓力管道元件型式試驗規則：TSG D7002—2006[S].