超長(zhǎng)年限服役后鑄鐵烘缸的組織和性能

劉課秀，馬 括，封小亮，王 戀，謝小武，盧忠銘，李露水

(廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院，廣州 510663)

0 引 言

鑄鐵烘缸是一種滾筒式壓力容器，廣泛應(yīng)用于造紙過(guò)程的烘干和定型[1]。相關(guān)資料顯示，一般壓力容器的服役年限在20 a左右，而鑄鐵烘缸的服役年限通常超過(guò)20 a。經(jīng)過(guò)超長(zhǎng)年限服役，鑄鐵烘缸各位置存在的表面和內(nèi)部缺陷以及組織性能的變化會(huì)影響設(shè)備的安全使用，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)爆炸事故[2]。某造紙廠于1956年從芬蘭引進(jìn)了40臺(tái)鑄鐵烘缸，其中2臺(tái)烘缸服役至1999年停用(已服役43 a)，其余烘缸已服役62 a，并仍在服役狀態(tài)。為了解該批鑄鐵烘缸經(jīng)超長(zhǎng)年限服役后的組織和性能，作者選取服役43 a和62 a的2臺(tái)烘缸先進(jìn)行液壓試驗(yàn)，然后采用聲發(fā)射、磁粉、超聲波等檢測(cè)方法和組織形貌觀察以及力學(xué)性能測(cè)試，對(duì)烘缸各位置的組織形貌和力學(xué)性能進(jìn)行了分析。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

選取服役62 a和服役43 a的鑄鐵烘缸進(jìn)行研究，分別標(biāo)記為1#、2#，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。2臺(tái)烘缸的結(jié)構(gòu)和尺寸相同，缸體壁厚28 mm，長(zhǎng)度4 280 mm，外徑1 500 mm，烘缸端蓋均采用凸形結(jié)構(gòu)，后端蓋設(shè)有人孔，開(kāi)孔部位均采用平滑過(guò)渡和凸緣整體補(bǔ)強(qiáng)。服役時(shí)的工作介質(zhì)均為水蒸氣，最高工作壓力為0.22 MPa，實(shí)際工作壓力為0.1 MPa，蒸汽溫度為195 ℃，烘缸表面溫度為100 ℃，運(yùn)行轉(zhuǎn)速為800 r·min-1。

圖1 鑄鐵烘缸結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of cast iron dryer

根據(jù)GB/T 223.86-2009和GB/T 223.85-2009，采用EMIA-20P型紅外碳硫儀測(cè)定碳、硫元素含量；根據(jù)GB/T 223.60-1997測(cè)定硅元素含量；根據(jù)GB/T 223.53-1987，采用PINAACLE 900F型原子吸收光譜儀測(cè)定銅、鎳、錳元素含量；根據(jù)GB/T 223.59-2008，采用UV-2700型紫外分光度計(jì)測(cè)定磷元素含量；根據(jù)GB/T 223.11-2008測(cè)定鉻元素含量。

對(duì)2臺(tái)烘缸進(jìn)行液壓試驗(yàn)，介質(zhì)為自來(lái)水，試驗(yàn)壓力為最高工作壓力的2倍。根據(jù)NB/T 47013.9-2012，采用PACSAMOS型聲發(fā)射儀檢測(cè)液壓過(guò)程中烘缸是否存在裂紋缺陷，探頭型號(hào)為DP151，采用整體監(jiān)測(cè)模式，檢測(cè)頻率為100～400 kHz，采用磁性吸座固定，耦合劑為凡士林，；液壓試驗(yàn)結(jié)束后，采用宏觀觀察和磁粉檢測(cè)對(duì)烘缸內(nèi)外表面進(jìn)行檢查，采用超聲波檢測(cè)烘缸的減薄情況。

分別在缸體及前后端蓋上截取長(zhǎng)度為20 mm的全壁厚金相試樣，磨拋后采用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，在Zeiss Axiovert200 MAT型光學(xué)顯微鏡上觀察拋光態(tài)和腐蝕態(tài)截面顯微組織，并根據(jù)GB/T 7216-2009對(duì)組織進(jìn)行評(píng)定。

采用MTS3000/RESTAN型殘余應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)試烘缸缸體及前后端蓋的殘余應(yīng)力，測(cè)試位置為缸體內(nèi)壁靠前端蓋約150 mm處，以及端蓋內(nèi)壁的1/2半徑處，每個(gè)位置測(cè)量3次取平均值。分別在缸體及前后端蓋上截取硬度試樣，在DuraVision-300型硬度計(jì)上進(jìn)行布氏硬度測(cè)試，每組試樣測(cè)量3次取平均值。根據(jù)GB/T 228.1-2010，分別在缸體及前后端蓋上截取棒狀拉伸試樣，直徑為20 mm，平行段長(zhǎng)度為75 mm，在YDL1000型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為23 ℃，拉伸速度為2 mm·min-1，分別測(cè)3個(gè)試樣取平均值。采用FEI Quanta650型掃描電鏡觀察斷口微觀形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)成分

烘缸所用灰鑄鐵材料的標(biāo)準(zhǔn)成分為2.5%～3.6%C，1.1%2.0%Si，<1.0%Mn，<1.5%S，<0.3%P。由表1可以看出，1#烘缸前端蓋的硅含量較缸體和后端蓋的高，且大于標(biāo)準(zhǔn)值。硅含量過(guò)高會(huì)促進(jìn)鑄鐵中碳的石墨化[3]，增大石墨片的尺寸。

表1 烘缸各位置的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of different positions of dryer (mass fraction) %

2.2 宏觀形貌

2臺(tái)烘缸在液壓試驗(yàn)過(guò)程中均沒(méi)有出現(xiàn)異常響聲，且均無(wú)滲漏和可見(jiàn)變形；聲發(fā)射監(jiān)測(cè)期間未發(fā)現(xiàn)明顯的聲發(fā)射信號(hào)，說(shuō)明2臺(tái)烘缸均未出現(xiàn)裂紋缺陷，根據(jù)NB/T 47013.9-2012，聲發(fā)射定位源強(qiáng)度等級(jí)均可評(píng)為Ⅰ級(jí)[4]。

由圖2可以看出，1#烘缸缸體外表面光潔，無(wú)明顯銹蝕，外表面有環(huán)向的輕微磨損凹痕，未見(jiàn)變形、孔洞、裂紋等缺陷，內(nèi)表面有較多的腐蝕斑點(diǎn)。將腐蝕斑點(diǎn)打磨至約1.5 mm深度，仍可見(jiàn)輕微的黑色腐蝕斑。由圖3可以看出，由于在檢測(cè)前已存放了19 a,2#烘缸缸體外表面局部有少量銹斑，表面平滑，未見(jiàn)凹坑、變形、孔洞、裂紋等缺陷，內(nèi)表面靠近后端蓋側(cè)有一處直徑約8 mm、深度約7.5 mm的圓形孔洞,該孔洞為烘缸制造過(guò)程中，補(bǔ)孔的鉚釘發(fā)生脫落形成的。

圖2 1#烘缸缸體外表面和內(nèi)表面腐蝕斑宏觀形貌Fig.2 Macromorphology of outer surface (a) and corrosion spots on inner surface (b) of 1# dryer cylinder

圖3 2#烘缸缸體外表面和內(nèi)表面靠近后端蓋側(cè)孔洞宏觀形貌Fig.3 Macromorphology of outer surface (a) and hole near rear end cover side of inner surface (b) of 2# dryer cylinder

采用磁粉檢測(cè)進(jìn)一步檢查，未發(fā)現(xiàn)裂紋等表面缺陷。采用超聲波法測(cè)量壁厚，得到1#烘缸的最小壁厚為27.72 mm,減去局部腐蝕斑深度后，剩余壁厚約26.00 mm，2#烘缸的最小壁厚為27.76 mm。2臺(tái)烘缸缸體壁厚均未見(jiàn)明顯減薄。端蓋法蘭壁厚均約44.00 mm，其余部位壁厚為44.00～77.00 mm。2臺(tái)缸體不同位置壁厚均符合QB/T 2556-2008要求。

2.3 顯微組織

由圖4和圖5可以看出，2臺(tái)烘缸的缸體和端蓋基體組織均為珠光體，珠光體未見(jiàn)明顯球化，石墨片的尺寸和分布均主要為A型，存在少量磷共晶，片狀石墨尖端均未見(jiàn)裂紋。由表2可以看出：2臺(tái)烘缸各位置的石墨片長(zhǎng)度存在明顯差異，1#烘缸前端蓋和2#烘缸后端蓋的石墨片長(zhǎng)度均較長(zhǎng)，長(zhǎng)度分別為0.90，0.70 mm，級(jí)別均為2級(jí)；2臺(tái)烘缸各位置基體組織中的珠光體數(shù)量級(jí)別均為2級(jí)，磷共晶數(shù)量級(jí)別均為3級(jí)。

2.4 殘余應(yīng)力

由表3可以看出，1#和2#烘缸的殘余應(yīng)力絕對(duì)對(duì)值最大分別為30.4，28.1 MPa，均較小。在服役過(guò)程中，烘缸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)會(huì)發(fā)生振動(dòng)，具有振動(dòng)時(shí)效效果;振動(dòng)時(shí)效會(huì)大大減小鑄鐵件在鑄造過(guò)程中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和組織應(yīng)力，降低殘余應(yīng)力對(duì)烘缸構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的不利影響[5]。

表2 烘缸各位置顯微組織評(píng)級(jí)結(jié)果Table 2 Rating results of microstructure at differentpositions of dryer

表3 烘缸各位置的殘余應(yīng)力Table 3 Residual stresses at different positions of dryer

圖4 烘缸各位置試樣拋光態(tài)微觀形貌Fig.4 Micromorphology of samples at different positions in polishing state of dryer：(a) cylinder of 1# dryer；(b) front end cover of 1# dryer； (c) rear end cover of 1# dryer；(d) cylinder of 2# dryer；(e) front end cover of 2# dryer and (f) rear end cover of 2# dryer

圖5 烘缸各位置截面顯微組織Fig.5 Section microstructure at different positions of dryer：(a) cylinder of 1# dryer；(b) front end cover of 1# dryer；(c) rear end cover of 1# dryer；(d) cylinder of 2# dryer；(e) front end cover of 2# dryer and (f) rear end cover of 2# dryer

2.5 力學(xué)性能

GB/T 9439-2010和QB/T 2556-2008規(guī)定，烘缸缸體和端蓋的布氏硬度范圍分別在150～230 HBW和170～220 HBW。1#烘缸缸體、前端蓋和后端蓋的硬度分別為176，177，202 HBW；2#烘缸的分別為184，187，183 HBW，可見(jiàn)2臺(tái)烘缸缸體及端蓋的硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

由表4可以看出，烘缸缸體及前后端蓋的抗拉強(qiáng)度存在明顯差異，除1#烘缸前端蓋的抗拉強(qiáng)度低于GB/T 9439-2010要求外，其余部位均符合標(biāo)準(zhǔn)要求；1#烘缸前端蓋和2#烘缸后端蓋的抗拉強(qiáng)度明顯較其他部位的低，推測(cè)是兩者的石墨片長(zhǎng)度較其他部位的長(zhǎng)導(dǎo)致的。

表4 烘缸不同位置試樣的拉伸性能Table 4 Tensile properties of samples at different positions of dryer

由圖6可以看出，1#烘缸前后端蓋斷口形貌的主要差異為石墨片尺寸，前端蓋斷口的石墨片及其脫落形成的孔洞尺寸均較大。1#烘缸前端蓋中較長(zhǎng)的石墨片降低了其有效承載面積，因此前端蓋的抗拉強(qiáng)度明顯低于后端蓋的，并低于標(biāo)準(zhǔn)值。在基體組織未見(jiàn)明顯異常的情況下，烘缸各位置的石墨片長(zhǎng)度和抗拉強(qiáng)度存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由圖7可以看出，石墨片長(zhǎng)度和抗拉強(qiáng)度基本呈反比關(guān)系，石墨片越長(zhǎng)，試樣抗拉強(qiáng)度越小。

2臺(tái)鑄鐵烘缸不同位置的硬度和抗拉強(qiáng)度均不存在明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此對(duì)鑄鐵烘缸進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，不宜通過(guò)硬度來(lái)判斷抗拉強(qiáng)度。

圖6 1#烘缸端蓋試樣拉伸斷口微觀形貌Fig.6 Tensile fracture micromorphology of end cover samples of 1# dryer：(a) front end cover and (b) rear end cover

圖7 2臺(tái)烘缸不同位置試樣抗拉強(qiáng)度與石墨片長(zhǎng)度的關(guān)系Fig.7 Relationship between tensile strength and graphite sheet length of samples at different positions of two dryers

2.6 強(qiáng)度計(jì)算

與內(nèi)壓載荷引起的應(yīng)力相比，烘缸自重引起的應(yīng)力、烘缸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)缸體和內(nèi)壁上冷凝液的離心力引起的應(yīng)力、烘缸內(nèi)外表面溫差引起的熱應(yīng)力等均較小，故僅考慮內(nèi)壓載荷引起的缸體和端蓋的應(yīng)力[6]。

根據(jù)ASME Ⅷ.1-2015，僅考慮內(nèi)壓載荷引起的應(yīng)力，圓筒形缸體的最高允許工作壓力計(jì)算公式為

(1)

式中：P為最高允許工作壓力；S為許用應(yīng)力；E為焊接接頭系數(shù)；t為壁厚；R為內(nèi)半徑。

1#烘缸缸體的抗拉強(qiáng)度為173 MPa，許用應(yīng)力為抗拉強(qiáng)度與安全系數(shù)(n=10)的比值，為17.3 MPa，接頭系數(shù)取1，缸體壁厚(實(shí)測(cè)最小壁厚減去腐蝕斑深度)為26 mm，內(nèi)半徑為外半徑與壁厚的差值，為724 mm，計(jì)算得到1#鑄鐵烘缸缸體的最高允許工作壓力為1.26 MPa。因此，1#鑄鐵烘缸缸體在0.22 MPa的最高工作內(nèi)壓載荷下仍具有足夠的強(qiáng)度。

1#烘缸前端蓋的抗拉強(qiáng)度為106 MPa，許用應(yīng)力為10.6 MPa，最小壁厚為44 mm，內(nèi)半徑為724 mm，根據(jù)ASME Ⅷ.1-2015，無(wú)加強(qiáng)筋球形殼體的最高允許工作壓力計(jì)算公式為

(2)

得到1#鑄鐵烘缸前端蓋的最高允許工作壓力為1.27 MPa，因此1#鑄鐵烘缸前端蓋在0.22 MPa的最高工作內(nèi)壓載荷下仍具有足夠的強(qiáng)度。由于1#烘缸后端蓋和2#烘缸端蓋的抗拉強(qiáng)度均大于1#烘缸前端蓋的，2#烘缸缸體的抗拉強(qiáng)度大于1#烘缸缸體的，因此2臺(tái)烘缸各位置在0.22 MPa的最高工作內(nèi)壓載荷下均具有足夠的強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

(1) 經(jīng)過(guò)62 a和43 a的超長(zhǎng)年限服役后，2臺(tái)烘缸缸體及端蓋均無(wú)明顯的表面缺陷和裂紋缺陷，基體組織均為無(wú)明顯球化的珠光體，石墨片的尺寸和分布均為A型，其中1#烘缸前端蓋和2#烘缸后端蓋的石墨片長(zhǎng)度均較長(zhǎng)。

(2) 2臺(tái)烘缸缸體和端蓋的硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)；除1#烘缸前端蓋的抗拉強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求外，其余位置的均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且1#烘缸前端蓋和2#烘缸后端蓋的抗拉強(qiáng)度明顯較其他位置的低；2臺(tái)鑄鐵烘缸各位置在0.22 MPa的最高工作內(nèi)壓載荷下均具有足夠的強(qiáng)度。