刘课秀,马 括,封小亮,王 恋,谢小武,卢忠铭,李露水

(广州特种承压设备检测研究院,广州 510663) 摘 要:研究了某造纸厂2台分别服役62a和43a的铸铁烘缸不同位置的显微组织和力学性 能。

结果表明:2台烘缸缸体及端盖均无明显的表面缺陷和裂纹缺陷,基体组织均为无明显球化的 珠光体,石墨片的尺寸和分布均主要为 A 型,服役62a烘缸前端盖和服役43a烘缸后端盖的石墨 片长度均较长;2台烘缸缸体和端盖的硬度均满足标准要求;除服役62a烘缸前端盖的抗拉强度低 于标准外,2台烘缸其余位置的抗拉强度均满足标准要求,服役62a烘缸前端盖和服役43a烘缸 后端盖的抗拉强度明显较其他位置的低;2台超长年限服役烘缸在0.22MPa的最高工作内压载荷 下仍具有足够的强度。

关键词:铸铁烘缸;组织性能;石墨片长度;硬度;抗拉强度 中图分类号:TG146.2 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)03-0029-06

0 引 言

铸铁烘缸是一种滚筒式压力容器,广泛应用于 造纸过程的烘干和定型[1]。相关资料显示,一般压 力容器的服役年限在20a左右,而铸铁烘缸的服役 年限通常超过20a。经过超长年限服役,铸铁烘缸 各位置存在的表面和内部缺陷以及组织性能的变化 会影响设备的安全使用,严重时会引发爆炸事故[2]。 某造纸厂于1956年从芬兰引进了40台铸铁烘缸, 其中2台烘缸服役至1999年停用(已服役43a),其 余烘缸已服役62a,并仍在服役状态。为了解该批 铸铁烘缸经超长年限服役后的组织和性能,作者选 取服役43a和62a的2台烘缸先进行液压试验,然 后采用声发射、磁粉、超声波等检测方法和组织形貌 观察以及力学性能测试,对烘缸各位置的组织形貌 和力学性能进行了分析。

1 试样制备与试验方法

选取服役62a和服役43a的铸铁烘缸进行研 29 刘课秀,等:超长年限服役后铸铁烘缸的组织和性能 究,分别标记为1 # 、2 # ,其结构如图1所示。2台 烘缸的 结 构 和 尺 寸 相 同,缸 体 壁 厚 28 mm,长 度 4280mm,外径1500mm,烘缸端盖均采用凸形结 构,后端盖设有人孔,开孔部位均采用平滑过渡和凸 缘整体补强。服役时的工作介质均为水蒸气,最高 工作压力为0.22 MPa,实际工作压力为0.1 MPa, 蒸汽温度为195℃,烘缸表面温度为100℃,运行转 速为800r·min -1。 图1 铸铁烘缸结构示意 Fig.1 Structurediagramofcastirondryer 根据 GB/T223.86-2009 和 GB/T223.85- 2009,采用 EMIA-20P 型红外碳硫仪测定碳、硫元 素含量;根 据 GB/T223.60-1997 测 定 硅 元 素 含 量;根 据 GB/T 223.53-1987,采 用 PINAACLE 900F型原子吸收光谱仪测定铜、镍、锰元素含量;根 据 GB/T223.59-2008,采用 UV-2700型紫外分光 度计测定磷元素含量;根据 GB/T223.11-2008测 定铬元素含量。 对2台烘缸进行液压试验,介质为自来水,试验 压力为最高工作压力的2倍。根据 NB/T47013.9- 2012,采用 PACSAMOS型声发射仪检测液压过程 中 烘缸是否存在裂纹缺陷,探头型号为DP151,采 用整体监测模式,检测频率为100~400kHz,采用 磁性吸座固定,耦合剂为凡士林,;液压试验结束后, 采用宏观观察和磁粉检测对烘缸内外表面进行检 查,采用超声波检测烘缸的减薄情况。 分别在缸体及前后端盖上截取长度为20 mm 的全壁厚金相试样,磨抛后采用体积分数为4%的 硝酸酒精溶液腐蚀,在 ZeissAxiovert200 MAT 型 光学显微镜上观察抛光态和腐蚀态截面显微组织, 并根据 GB/T7216-2009对组织进行评定。 采用 MTS3000/RESTAN 型残余应力测试仪 测试烘缸缸体及前后端盖的残余应力,测试位置为 缸体内壁靠前端盖约150mm 处,以及端盖内壁的 1/2半径处,每个位置测量3次取平均值。分别在 缸体及前后端盖 上 截 取 硬 度 试 样,在 DuraVision300型硬度计上进行布氏硬度测试,每组试样测量3 次取平均值。根据 GB/T228.1-2010,分别在缸体 及前后端盖上截取棒状拉伸试样,直径为20 mm, 平行段长度为75 mm,在 YDL1000型万能试验机 上进行拉伸试验,试验温度 为 23 ℃,拉 伸 速 度 为 2mm·min -1,分别测3个试样取平均值。采用 FEI Quanta650型扫描电镜观察断口微观形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 化学成分

烘缸所 用 灰 铸 铁 材 料 的 标 准 成 分 为 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 # 烘缸前端盖的硅含 量较缸体和后端盖的高,且大于标准值。硅含量过 高会促进铸铁中碳的石墨化[3],增大石墨片的尺寸。 表1 烘缸各位置的化学成分 质量分数 Table1 Chemicalcompositionofdifferentpositionsofdryer massfraction % 试样 C Si S Cu Mn Ni Cr P 缸体 3.13 1.51 0.099 0.317 0.685 0.134 0.120 0.056 1 # 烘缸 前端盖 3.14 2.79 0.192 0.436 0.572 0.168 0.167 0.059 后端盖 3.15 1.97 0.132 0.506 0.405 0.133 0.134 0.051 缸体 3.14 1.20 0.111 0.376 0.640 0.217 0.152 0.072 2 # 烘缸 前端盖 3.04 2.56 0.122 0.636 0.532 0.173 0.170 0.106 后端盖 3.13 2.44 0.128 0.596 0.494 0.186 0.155 0.041

2.2 宏观形貌

2台烘缸在液压试验过程中均没有出现异常响 声,且均无渗漏和可见变形;声发射监测期间未发现 明显的声发射信号,说明2台烘缸均未出现裂纹缺 陷,根据 NB/T47013.9-2012,声发射定位源强度 等级均可评为Ⅰ级[4]。 由图2可以看出,1 # 烘缸缸体外表面光洁,无 明显锈蚀,外表面有环向的轻微磨损凹痕,未见变 形、孔洞、裂纹等缺陷,内表面有较多的腐蚀斑点。 将腐蚀斑点打磨至约1.5 mm 深度,仍可见轻微的 30 刘课秀,等:超长年限服役后铸铁烘缸的组织和性能 黑色腐蚀斑。由图3可以看出,由于在检测前已存 放了19a,2 # 烘缸缸体外表面局部有少量锈斑,表 面平滑,未见凹坑、变形、孔洞、裂纹等缺陷,内表面 靠近后端盖侧有一处直径约8mm、深度约7.5mm 的圆形孔洞,该孔洞为烘缸制造过程中,补孔的铆钉 发生脱落形成的。 图2 1 # 烘缸缸体外表面和内表面腐蚀斑宏观形貌 Fig 2 Macromorphologyofoutersurface a andcorrosionspotsoninnersurface b of1 # dryercylinder 图3 2 # 烘缸缸体外表面和内表面靠近后端盖侧孔洞宏观形貌 Fig 3 Macromorphologyofoutersurface a andholenearrearendcoversideofinnersurface b of2 # dryercylinder 采用磁粉检测进一步检查,未发现裂纹等表面缺 陷。采用超声波法测量壁厚,得到1 # 烘缸的最小壁 厚为27.72mm,减去局部腐蚀斑深度后,剩余壁厚约 26.00mm,2 # 烘缸的最小壁厚为27.76mm。2台烘 缸缸体壁厚均未见明显减薄。端盖法兰壁厚均约 44.00mm,其余部位壁厚为44.00~77.00mm。2台 缸体不同位置壁厚均符合 QB/T2556-2008要求。

2.3 显微组织

由图4和图5可以看出,2台烘缸的缸体和端 盖基体组织均为珠光体,珠光体未见明显球化,石墨 片的尺寸和分布均主要为 A 型,存在少量磷共晶, 片状石墨尖端均未见裂纹。由表2可以看出:2台 烘缸各位置的石墨片长度存在明显差异,1 # 烘缸前 端盖和2 # 烘缸后端盖的石墨片长度均较长,长度分 别为0.90,0.70mm,级别均为2级;2台烘缸各位置 基体组织中的珠光体数量级别均为2级,磷共晶数 量级别均为3级。

2.4 残余应力

由表3可以看出,1 # 和2 # 烘缸的残余应力绝对 表2 烘缸各位置显微组织评级结果 Table2 Ratingresultsofmicrostructureatdifferent positionsofdryer 位置 石墨分布 形状 石墨长度 级别 石墨实际 长度/mm 珠光体 数量级别 磷共晶 数量级别 缸体 A 3 0.45 2 3 1 # 烘缸 前端盖 A 2 0.90 2 3 后端盖 A 3 0.35 2 3 缸体 A 3 0.40 2 3 2 # 烘缸 前端盖 A 3 0.45 2 3 后端盖 A 2 0.70 2 3 表3 烘缸各位置的残余应力 Table3 Residualstressesatdifferentpositionsofdryer 位置 应变1 应变2 应变3 主应力1/ MPa 主应力2/ MPa 缸体 -46 -21 -22 29.1 12.9 1 # 烘缸 前端盖 46 16 25 -12.9 -30.4 后端盖 27 31 42 -19.5 -26.7 缸体 27 22 31 -12.7 -18.7 2 # 烘缸 前端盖 -53 17 39 22.2 -18.9 后端盖 33 26 39 -19.2 -28.1 31 刘课秀,等:超长年限服役后铸铁烘缸的组织和性能 图4 烘缸各位置试样抛光态微观形貌 Fig 4 Micromorphologyofsamplesatdifferentpositionsinpolishingstateofdryer a cylinderof1 # dryer b frontendcoverof1 # dryer c rearendcoverof1 # dryer d cylinderof2 # dryer e frontendcoverof2 # dryerand f rearendcoverof2 # dryer 图5 烘缸各位置截面显微组织 Fig 5 Sectionmicrostructureatdifferentpositionsofdryer a cylinderof1 # dryer b frontendcoverof1 # dryer c rearendcoverof 1 # dryer d cylinderof2 # dryer e frontendcoverof2 # dryerand f rearendcoverof2 # dryer 对值最大分别为30.4,28.1 MPa,均较小。在服役 过程中,烘缸转动的同时会发生振动,具有振动时效 效果;振动时效会大大减小铸铁件在铸造过程中产 生的结构应力和组织应力,降低残余应力对烘缸构 件疲劳强度的不利影响[5]。

2.5 力学性能

GB/T9439-2010 和 QB/T2556-2008 规 定,烘缸缸体和端盖的布氏硬度范围分别在150~ 230HBW 和170~220 HBW。1 # 烘缸缸体、前端 盖和后端盖的硬度分别为176,177,202 HBW;2 # 32 刘课秀,等:超长年限服役后铸铁烘缸的组织和性能 烘缸的分别为184,187,183HBW,可见2台烘缸缸 体及端盖的硬度均符合标准要求。 由表4可以看出,烘缸缸体及前后端盖的抗拉 强度存在明显差异,除1 # 烘缸前端盖的抗拉强度低 于 GB/T9439-2010要求外,其余部位均符合标准 要求;1 # 烘缸前端盖和2 # 烘缸后端盖的抗拉强度 明显较其他部位的低,推测是两者的石墨片长度较 其他部位的长导致的。 表4 烘缸不同位置试样的拉伸性能 Table4 Tensilepropertiesofsamplesatdifferentpositionsofdryer 测试位置 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa GB/T9439-2010抗拉强度要求 缸体 144 173 >155MPa(20mm<壁厚≤40mm) 1 # 烘缸 前端盖 92 106 后端盖 178 201 >130MPa(40mm<壁厚≤80mm) 缸体 165 193 >155MPa(20mm<壁厚≤40mm) 2 # 烘缸 前端盖 151 170 后端盖 134 145 >130MPa(40mm<壁厚≤80mm) 由图6可以看出,1 # 烘缸前后端盖断口形貌的 主要差异为石墨片尺寸,前端盖断口的石墨片及其 脱落形成的孔洞尺寸均较大。1 # 烘缸前端盖中较 长的石墨片降低了其有效承载面积,因此前端盖的 抗拉强度明显低于后端盖的,并低于标准值。在基 体组织未见明显异常的情况下,烘缸各位置的石墨 片长度和抗拉强度存在一定的对应关系。由图7可 以看出,石墨片长度和抗拉强度基本呈反比关系,石 墨片越长,试样抗拉强度越小。 2台铸铁烘缸不同位置的硬度和抗拉强度均不 图6 1 # 烘缸端盖试样拉伸断口微观形貌 Fig 6 Tensilefracturemicromorphologyofendcoversamplesof 1 # dryer a frontendcoverand b rearendcover 图7 2台烘缸不同位置试样抗拉强度与石墨片长度的关系 Fig.7 Relationshipbetweentensilestrengthandgraphitesheet lengthofsamplesatdifferentpositionsoftwodryers 存在明显的对应关系,因此对铸铁烘缸进行检验时, 不宜通过硬度来判断抗拉强度。

2.6 强度计算

与内压载荷引起的应力相比,烘缸自重引起的 应力、烘缸转动时缸体和内壁上冷凝液的离心力引 起的应力、烘缸内外表面温差引起的热应力等均较 小,故仅考虑内压载荷引起的缸体和端盖的应力[6]。 根据 ASME Ⅷ.1-2015,仅考虑内压载荷引起 的应力,圆 筒 形 缸 体 的 最 高 允 许 工 作 压 力 计 算 公 式为 P = 2SEt R -0.4t (1) 式中:P 为最高允许工作压力;S 为许用应力;E 为 焊接接头系数;t为壁厚;R 为内半径。 1 # 烘缸缸体的抗拉强度为173MPa,许用应力为 抗拉强度与安全系数(n=10)的比值,为17.3 MPa, 接头系数取1,缸体壁厚(实测最小壁厚减去腐蚀斑 深度)为26mm,内半径为外半径与壁厚的差值,为 724mm,计算得到1 # 铸铁烘缸缸体的最高允许工 作压 力 为 1.26 MPa。因 此,1 # 铸 铁 烘 缸 缸 体 在 0.22MPa的最 高 工 作 内 压 载 荷 下 仍 具 有 足 够 的 强度。 1 # 烘缸前端盖的抗拉强度为106MPa,许用应力 为10.6MPa,最小壁厚为44mm,内半径为724mm, 根据 ASME Ⅷ.1-2015,无加强筋球形壳体的最高 允许工作压力计算公式为 P = 2SEt R +0.2t (2) 得到1 # 铸铁烘缸前端盖的最高允许工作压力 为1.27MPa,因此1 # 铸铁烘缸前端盖在0.22 MPa 的最高工作内压载荷下仍具有足够的强度。由于 33 刘课秀,等:超长年限服役后铸铁烘缸的组织和性能 1 # 烘缸后端盖和2 # 烘缸端盖的抗拉强度均大于1 # 烘缸前端盖的,2 # 烘缸缸体的抗拉强度大于1 # 烘 缸缸体的,因此2台烘缸各位置在0.22MPa的最高 工作内压载荷下均具有足够的强度。

3 结 论

(1)经过62a和43a的超长年限服役后,2台 烘缸缸体及端盖均无明显的表面缺陷和裂纹缺陷, 基体组织均为无明显球化的珠光体,石墨片的尺寸 和分布均为 A 型,其中1 # 烘缸前端盖和2 # 烘缸后 端盖的石墨片长度均较长。 (2)2台烘缸缸体和端盖的硬度均符合标准; 除1 # 烘缸前端盖的抗拉强度低于标准要求外,其余 位置的均符合标准要求,且1 # 烘缸前端盖和2 # 烘 缸后端盖的抗拉强度明显较其他位置的低;2台铸 铁烘缸各位置在0.22 MPa的最高工作内压载荷下 均具有足够的强度。

来源：材料与测试网