铸铁烘缸及其安全保护装置检验有效性分析探究

摘 要：

铸铁烘缸属于较小众和特殊的压力容器，其结构特征、材质特性、安全保护装置、设计制造标准、损伤模式与传统的钢制压力容器不同。鉴于此，以造纸用灰铸铁烘缸为例进行针对性分析研究，提出了科学有效施检的策略，有助于避免机械执行法规标准而导致的责任事故。

1 现场总线技术的特点分析

铸铁烘缸是安装在固定位置、沿水平轴转动的圆筒形换热容器，其结构如图1所示。工作时，在缸体内通入蒸汽，通常用于造纸行业对纸张进行熨烫，最后冷凝水经虹吸管从疏水阀排出缸体。因此，铸铁烘缸属于《特种设备安全法》监管的承压设备。近年来，铸铁烘缸爆炸事故时有报道，在质检特函〔2016〕31号《质检总局特种设备安全监察局关于加强高风险锅炉压力容器安全监察工作的通知》中，明确将烘缸纳入高风险监管，需要按照特种设备安全技术规范TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》（以下简称《容规》）进行检验，安全状况符合要求方可使用。

造纸烘缸常用灰铸铁来制造，其属于脆性材料，抗拉强度、塑性、韧性都比压力容器常用的钢材要低，除用于烘缸外，未见有用于制造其他压力容器的报道。笔者查阅了压力容器检验行业流行的相关教材，均未见对铸铁烘缸检验的详细描述。铸铁烘缸的材料特性、制造工艺、应力分布（存在回转运动）与通常的钢制压力容器有所不同，其本体及主要受压元件上无安全附件，以上情况给铸铁烘缸检验的有效实施带来了挑战。本文通过对铸铁烘缸本质安全进行分析探究，结合笔者多年工作经验，试图提出切实可行的有效检验策略，从而提供技术支撑和保障。

1 铸铁烘缸的特征

1.1 铸铁烘缸常用材料

铸铁是以铁元素为基的含有碳、硅、锰、磷、硫等元素的多元铁合金。国际上，化学成分不作为铸件验收的依据，但铸件必须满足材料标准规定的力学性能和金相组织要求。我国早已掌握了先进的铸铁熔炼工艺。目前，造纸烘缸常用的灰铸铁HT200和HT250，其力学性能参数如表1所示，其金相组织为珠光体（基体组织）+片状石墨，石墨热导率比珠光体大，因此，灰铸铁具有良好的导热性；此外，灰铸铁液的流动性良好，凝固过程中，线收缩率和体收缩率较小，不易发生开裂；同时，片状石墨的存在，使得灰铸铁缺口敏感性降低，与钢相比裂纹不易快速扩展。根据灰铸铁的高温机械性能曲线，从室温至400℃，灰铸铁的力学性能指标变化不大，350℃以下，灰铸铁很稳定，几乎不氧化和生长。

注：①1999版的《压力容器安全技术监察规程》中，灰铸铁的设计温度允许值为0～250℃。

灰铸铁硬而耐磨、刚度大，用其铸造的筒体与钢板卷制的相比圆度好，在大气中的耐蚀性优于碳钢，特别是熨烫时，纸张可以轻松从其表面剥离。鉴于以上原因，灰铸铁一直是制造造纸烘缸的不二选择。但是，灰铸铁抗压不抗拉，为确保安全，《容规》采用提高冗余量的方式，规定灰铸铁用于压力容器时，室温下抗拉强度安全系数应不小于10.0。

1.2 铸铁烘缸的工况

铸铁烘缸的承压部件为圆柱缸体、两侧的缸盖、缸盖与缸体间的连接螺栓，支撑件为缸盖中心的转轴、机架底座。造纸用铸铁烘缸的外径常见为1 800 mm和2 000 mm这两个系列，缸体长度多为2 000～6 000 mm。设计允许参数如表1所示。

1.3 铸铁烘缸的安全保护装置

从国内公开的事故调查来看，铸铁烘缸发生爆炸，基本是超压运行导致[1]。一般情况下，锅炉房产出的蒸汽要供给到企业各车间生产工段，但铸铁烘缸的用汽压力往往比其他工段的用汽压力低，如果烘缸进汽口前的供汽管道上未装设超压自动泄放装置的话，极易发生超压事故。此外，铸铁烘缸内的蒸汽需要连续安全平稳地供给，方能保证生产运行，因此，在超压自动泄放装置前需装设减压装置，实现安全冗余。可按图2所示装设，图中电接点压力表可接入锅炉控制系统，实现超压联锁保护。为防止杂质流入，造成减压阀卡阻失灵，减压阀前必须安装过滤器。

减压阀是安全保护装置的核心部件，从流体力学的观点看，减压阀是一个局部阻力可以变化的节流元件，即通过改变节流面积，使流速及流体的动能改变，造成不同的压力损失，从而达到减压的目的，然后依靠控制与调节系统的调节，使阀后压力的波动与弹簧力相平衡，并在一定的误差范围内保持恒定。

按照作用形式，减压阀可分为先导式和直动式。先导式减压阀的结构如图3所示。使用时，拆下盖帽，松开防松螺母，顺时针转动调节螺钉，调节弹簧被压缩，推动膜片向下动作，导阀芯开启，介质通过导阀芯顺着导流孔到达主阀活塞上方，推动活塞向下动作，带动主阀芯开启，阀后压力开始上升，阀后压力经过主阀体内的导流孔，到达导阀膜片下方，和调节弹簧作用力达到平衡，导阀芯和主阀芯都保持一定开度，出口压力保持稳定，当出口压力上升时，导阀膜片下方压力随之上升，膜片向上移动，导阀芯在导阀弹簧作用下趋向关闭，流向主阀活塞上方的介质压力减小，主阀芯在主阀弹簧作用下逐渐关闭，使阀后压力下降，重新恢复到设定值，当出口压力下降时，导阀膜片下方的压力也下降，在调节弹簧作用下，膜片向下移动，导阀芯趋向开启，流经主阀活塞上方的介质压力增加，活塞推动主阀芯开度加大，使阀后压力上升，又恢复到设定值。

直动式减压阀的结构如图4所示，使用时，顺时针转动盖帽内的调节螺钉，使得调压弹簧被压缩，从而推动膜片和阀杆下移，将阀芯打开，输出口输出蒸汽，同时输出的气压经反馈作用在膜片上产生向上的推力，并在与调压弹簧作用力相平衡时稳定地输出压力。可见，先导式减压阀比直动式减压阀灵敏、可靠得多，减压比也更大。

2 铸铁烘缸的生产标准

1988年4月，我国原轻工业部首次颁布了ZB Y91 003—1988《造纸机械用铸铁烘缸技术条件》，第二年又颁布了ZB Y91 008—1989《造纸机用铸铁烘缸设计规定》，这两部标准分别在2002年和2008年进行过修订，2021年两部标准合二为一，即QB/T 2551—2021《造纸机械用铸铁烘缸》。该标准（以下统称“铸铁烘缸产品标准”）颁布以来，一直用于造纸铸铁烘缸的设计、制造、出厂检验等，因此该标准应作为研究有效检验的重要参考依据。

3 在用铸铁烘缸检验项目的实施及有效性分析

对烘缸进行受力分析、腐蚀分析、材质劣化分析等，是实施有效检验的前提。

烘缸工作时，缸盖不仅承受内压，还承受缸体自重，且由于缸体不停地旋转，缸盖一直在承受循环的应力，容易导致疲劳；烘缸的内外壁存在温差应力，当疏水系统失灵时冷凝水受离心力作用会引起弯曲应力，因此，在应力集中的缸盖轴孔周围、人孔圈周围以及缸体肩部区域（图1），易诱发裂纹。同时这些不连续的区域，往往也容易出现气孔、缩孔等制造遗留缺陷，烘缸使用一定时间后，制造遗留缺陷处也易伴生裂纹。

在制造时，如果铸铁内部存在分层缺陷，烘缸长期使用后，分层处可能出现局部脱落；内表面与蒸汽接触，可能发生冲蚀；外表面与潮湿的纸张接触，可能发生水汽、酸、碱腐蚀以及纸张对缸面的机械磨损，为保持缸面的光洁度，使用单位可能对缸体外表面进行磨削。这些都会造成壁厚减薄。

灰铸铁长期超温运行可能引起石墨类型改变、长度变短、尖端出现微裂纹，珠光体数量减少，碳化物和磷共晶数量增加，影响材料机械性能。

3.1 资料审查

首先，可用于制造烘缸的铸铁材料牌号《容规》有明确规定；其次，用于制造造纸烘缸的灰铸铁，其历年颁布的材料标准均规定，不许有裂纹、冷隔、缩孔等影响使用性能的缺陷产品出厂。一直以来，我国对压力容器的制造过程实行监督检验制度，符合特种设备安全技术规范要求的，发放监督检验证书，方可出厂安装使用。因此，对于使用后首次实施检验的铸铁烘缸，应先查阅其出厂资料是否齐全，核对烘缸实物的铭牌信息、外观尺寸与监检证书、竣工图等出厂资料上的记载是否一致；核查材质证书的信息，确定材料以及设计参数是否符合相应制造年份的《容规》和铸铁烘缸产品标准的规定。

3.2 宏观检验

首次实施定期检验时，应对结构和几何尺寸进行检验，重点检测不连续区域的几何参数是否符合铸铁烘缸产品标准的规定。若发生了修补，则应检查修补部位及补孔是否符合铸铁烘缸产品标准的规定，是否诱发裂纹。目视检查烘缸内外表面有无裂纹、气孔、缩孔、脱落、冲蚀、磨损等缺陷，结构不连续区域及修补部位可借助放大镜和亮度达标的手电仔细检查。两侧缸盖的螺栓，按上下左右各抽两颗检查是否有裂纹，M36及以上的螺柱应逐个清洗检查是否有裂纹。检查缸体内是否积有大量冷凝水，虹吸管是否堵塞、松脱，疏水装置是否完好。检查烘缸上的各密封部位（缸盖与缸体，人孔与缸盖）是否有泄漏痕迹。检验人员无法进入烘缸内部检验的，可借助内窥镜检查。

3.3 硬度检查

灰铸铁受拉时，几乎没有屈服阶段，其硬度与抗拉强度值存在线性关系，测出硬度值即可知晓抗拉强度值是否满足要求。硬度值超过标准上限，可能材质已发生老化，铸铁的总碳量降低或者石墨由A型转变为D型，硬度值会明显提高，应进一步进行金相检验和无损检测；硬度值降低，可能发生了壁厚减薄，应进一步进行超声波测厚，这是因为铸造时外壁冷却快，晶粒细，中心冷却慢，晶粒粗，不同壁厚处的显微组织（如石墨形状、尺寸）有不同程度的差别，从而带来力学性能的差别，越靠近缸体中心，硬度值越低。

硬度测试方法：测试位置的表面光洁度应达到2 μm，测试点选取离缸体两端80～100 mm范围内，并避开缸体与端盖的结合处，每端各测两点，所测四点的硬度算术平均值为缸面硬度值。硬度的合格标准可参考表2。

注：缸面两端硬度差应≤HB24。

3.4 壁厚测定及强度校核

为检测剩余的厚度值是否还满足承压强度要求，通常采用超声测厚。但灰铸铁材料晶粒粗大，并且片状石墨造成基体组织不连续，因此，超声波在灰铸铁中的衰减较大，普通的数字式测厚仪无法测出厚度值，通常应使用带A扫描显示数字式测厚仪和低频率、晶片尺寸大的直探头来测量。调整增益，借助仪器显示屏上找到的一、二次底波，验证显示屏上厚度示值的准确性。应注意：探头频率越低，声速指向性越差，脉冲宽度越大，仪器显示屏上的回波波形越宽，分辨率越低；晶片尺寸越大，近场区的长度也越大，若近场区长度超过了工件厚度，则仪器也无法显示厚度示值。实验表明，选用频率为1 MHz、晶片尺寸为13 mm的直探头进行测量，效果较好。

不同牌号、不同厚度的灰铸铁含碳量不一致，含碳量越低，声速越快，并且外壁也比中心声速快。因此，不同的灰铸铁烘缸，声速一般都不相同，测厚前可先用卡尺在缸体边缘测出厚度值，再用测厚仪在该处校核声速后开始测量，铸铁的声速范围在4 100～5 000 m/s[4]。通常沿所测缸体的轴长，在对称中心及两边取横截面，每个截面上均布4个测厚点。若发现局部减薄，可采用网格法（图5）确定减薄区域。

铸铁烘缸不允许补焊[5]，其强度计算公式可查设计图纸中给出的设计标准（如QB/T 2556—2002《造纸机械用铸铁烘缸设计规定》），常见的烘缸计算厚度如表1所示。

3.5 表面无损检测

对于宏观检验中有怀疑的部位以及应力集中的不连续区域，应100%进行磁粉检测，检测时，被检部位的表面状况、光照度、检测工艺应符合文献[6]的规定，确保检出率。

3.6 水压试验及声发射检测

水压试验能够考察烘缸的整体强度、密封性能，同时能够对微裂纹产生闭合效应，钝化微裂纹尖端。当对烘缸内部难以实施检验时，水压试验是一种有效的检验方法，可结合声发射检测一并进行，声发射检测可监测烘缸是否存在活性缺陷，如果存在Ⅲ级、Ⅳ级定位源，应停止继续升压，采用常规无损检测方法验证定位源处是否存在缺陷。目前，灰铸铁HT250可按文献[7]进行检测判定。若声发射检测未见明显异常，则缓慢升压至2倍允许工作压力，保压30 min后，降至允许工作压力，保压30 min进行检查。检查期间压力保持不变，无渗漏、无异响、无可见变形，方为合格。

水压试验前应对烘缸实测最小壁厚的允许工作压力进行确认，以确保安全，试验水温不得低于5 ℃，试验前应采取有效措施保证连接转轴不会受到水自身重力的影响，支承工装要牢固，试验后应排净积水。

3.7 安全保护装置检查

减压阀是保证铸铁烘缸不超压运行的特有部件，非常关键，但由于安装位置不在烘缸上，对烘缸检验时，减压阀往往被忽略，最终引发事故。大于DN50的减压阀属于压力管道元件，按文献[8]的规定应进行型式试验，无型式试验证书的减压阀不得用于特种设备。应对照铭牌信息[9]，核查适用介质，进、出口压力范围是否满足使用要求，检查阀体表面是否损坏、锈蚀、变形。烘缸投用前应观察出口压力是否符合要求，若经过调整后，减压阀出口压力依然不符合要求，应拆卸进一步检查阀瓣与阀座的磨损程度，弹簧是否变形、损坏。减压阀前的过滤器应定期清理维护，蒸汽洁净才能确保减压阀运行可靠性，延长使用寿命。

应使用符合文献[10]要求的全启式安全阀，并按规定定期校验，整定压力不得高于烘缸的允许使用压力，其流道直径应能满足文献[11]规定的排放量要求，生产运行中，应定期进行手动排放试验，以防失效。

4 结束语

铸铁烘缸是一种非常规的压力容器，应通过对其固有特性进行分析，选择科学有效的检验手段，从而规避盲目、机械地执行安全技术规范，从本质上保证检验质量，并为企业安全生产提供技术支撑，降低风险。