铸铁造纸烘缸常见缺陷及其无损探伤关键技术

叶玉龙 刘桂雄 李旭峰 陈和坤

（1.华南理工大学机械与汽车工程学院 2.广东省特检院 3.汕头市超声波所）

1 引言

铸铁因其良好的耐磨性、耐腐蚀性和保温性，且其内应力比钢制压力容器小得多，而被世界各国广泛应用于造纸烘缸。由于铸铁造纸烘缸一般体积较大，价格昂贵，所以国内造纸厂多从国外进口旧烘缸。由于使用时间较久，一般在投产前要对烘缸进行安全检测，使用期间也需要按压力容器的安全规定进行定检。由于造纸烘缸缺陷引起事故造成的损失巨大，故对铸铁烘缸进行常见缺陷分析和无损探伤研究有很重要的现实意义。

2 铸铁造纸烘缸的材料及结构特点

虽然钢焊接的造纸烘缸传热效率较好，但是卷曲的钢板内应力无法释放，导致结构不够稳定，因此目前造纸烘缸基本还是采用铸铁。铸铁主要有白口铸铁、灰口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和合金铸铁。灰口铸铁断面呈灰色，其减震性、耐磨性和水中的耐腐蚀性等性能都优于其它类型铸铁，因此，铸铁造纸烘缸多采用灰口铸铁[1]。由于铸铁烘缸一般较厚，在铸造冷却过程中常会出现气孔、夹砂、冷隔、缩孔、疏松和裂纹等情况，内部还常存在大量片状石墨和各向异性分布的粗大晶粒[2]。

铸铁造纸烘缸主要由缸体和端盖组成。烘缸实物图如图1所示。烘缸中间部位为一圆筒形灰口铸铁壳体称之为缸体，两端为凹形或者凸形端盖。端盖是变曲率、不等厚度的铸铁板，端盖上开有人孔，可供人员进入烘缸筒体内部进行检查。端盖如图2 所示。端盖与筒体用多个螺栓连接。烘缸的附件主要有虹吸管和压力安全阀。

图1 烘缸

图2 烘缸端盖

3 铸铁造纸烘缸的常见可能性缺陷

烘缸是造纸机的重要部位，工作时会受到高压水蒸气的腐蚀，尤其是两端盖不但承受自重和缸内蒸汽冷凝水重量，还受到烘缸转动的离心力作用。由于铸铁烘缸的材料和结构特性影响，相对薄弱部位容易出现缺陷，主要有：端盖或缸体裂纹、表面磨损或剥落、弯曲和扭转变形、连接螺栓扭裂和缸内锈蚀等[3]。

(1)烘缸铸造成型时留下的缩孔、夹砂和气孔等缺陷[4]。虽然很多时候不会直接影响烘缸的安全使用，但这些缺陷部位的结构强度相对于其它部位有所降低，使用时更容易受到破坏，影响安全。

(2)筒体腐蚀，厚度减少。烘缸内表面经常处于高压水汽环境下，缸体内壁容易被水汽腐蚀，导致表层脱落、凹坑；烘缸外表面需要保持一定的光洁度以满足纸张经过时不受破坏。但在造纸车间里酸、碱、水、汽、浆都比较多，对外表面造成一定腐蚀；此外定检时可能要对烘缸内、外表面进行打磨，这样烘缸的厚度就会慢慢变薄[5]。另外，铸铁烘缸属于脆性材料，在缸体受腐蚀或厚度减少到一定程度时，在高压状态下会突然破裂，甚至爆炸。

(3)筒体裂纹、漏水。烘缸在使用时，缸体要承受各种应力，如内部蒸汽压力、离心力、缸体内外温差应力、自重应力和缸体转矩引起的应力[6]。烘缸筒体裂纹可能由缩孔和夹砂等发展而成，也可能是应力所致。缩孔、夹砂等缺陷扩大可能引起筒体漏水；而应力特别是转动扭应力和蒸汽压力容易造成缸体裂纹或变形；同时，缸体内壁受液体腐蚀，导致表层脱落、凹坑，进而发展为裂纹；外壁与带水的纸幅接触，同样可能受腐蚀导致裂纹；纸张可能带有较硬的微粒，刮伤烘缸表层导致裂纹[7]；筒体两端与端盖接触的凸缘周围由于螺栓传力作用，筒体中间位置扭矩较大，这两位置应力也会较大，容易出现裂纹。检测时，对这些部位应重点检查。

(4)端盖裂纹、漏水和螺栓断裂。烘缸有前端盖和后端盖。后端盖开有人孔，人孔由人孔盖盖住，用螺栓紧固，如图2 所示；前端盖是传动侧端盖，又名进气端盖或驱动侧端盖。端盖承受烘缸内部的蒸汽压力、自身和缸体转动产生的离心力、传动扭转应力、弯曲应力和热应力等[8]，也受到缸体内部的冷凝液体的腐蚀破坏。端盖由于变曲率、不等厚度等不连续结构，存在大曲率部位；螺栓孔和人孔较多，容易集中应力，是烘缸薄弱的部位。因此，在端盖与转轴连接部位、人孔环带、端盖筋板与轮毂过渡区域、端盖与缸体连接法兰盘部位和连接螺栓都容易出现应力集中，导致裂纹[9]；另外，在烘缸端盖人孔压条槽处受力集中容易出现放射状的裂纹，导致端盖漏水甚至破裂[9]；连接螺栓受腐蚀之后，在蒸汽压力等应力的作用下，可能会断裂，导致爆炸，造成严重后果。

(5)虹吸管和压力阀损坏。虹吸管和压力阀都是烘缸非常重要的附件。虹吸管主要导出缸内冷凝水；压力阀监控烘缸的压力。烘缸工作时，虹吸管随缸体一起转动，受到蒸汽压力作用，可能出现松动、变形、扭裂；在长期高压蒸汽下，可能被腐蚀穿孔；此外，当出现堵塞或疏水阀失效时，凝结水排不净造成内壁有氧腐蚀[10]。通常，压力阀故障可能会导致安装松动、铅封不牢固，或者寿命结束。压力阀有明确的使用有效期，若超出期限或损坏，可直接更换。

4 铸铁造纸烘缸的无损探伤关键技术

无损探伤是指在不破坏被测物件的前提下，借助现代检测设备和技术对被测物件的破坏情况进行检测[11]。无损检测技术已经在航空航天领域和核工业上广泛采用，一些民用工业国家有关管理部门甚至在一些领域立法强制实施无损检测技术，制定了相应的检测和安全等级评定标准，如油气罐、输油气管道、发电设备和一些大型的、承受高载荷的机械设备等[12]。铸铁造纸烘缸无损检测虽然目前还没有相应的标准，但作为一种压力容器，无损检测方法已经在烘缸检测上广泛应用。

无损检测方法分六大类，约有70种，常用的主要有磁粉检测、渗透检测、涡流检测、超声波检测、音频检测、X射线透照和射线层析摄影法[13]。前四种方法常用于烘缸无损检测。射线检测由于射线的有害性，其作业必须在特殊密闭室内进行，并且较大的烘缸摆在射线机下面照射也是不现实的，它虽然在其它工件的检测效果很好，但不适用于烘缸检测。磁粉检测、渗透检测和涡流检测主要用于烘缸表面缺陷的检测；超声波检测法可检测内部和表面的缺陷，但一般用于烘缸内部缺陷检测。

(1)磁粉检测

磁粉检测是漏磁场检测的一种方法，其根据是磁化后铁磁性工件由于缺陷处磁力线受到破坏，使工件表面或近表面的磁力线发生突变，这些磁力线吸附磁粉后，在适当的光照后形成可见的磁痕，从而把缺陷的磁力线变化显示出来[14]。

磁粉检测一直被认为是表面无损检测最好的方式，但只适合用于铁镍基铁磁性材料，对较小的表面或近表面缺陷反映较准确，而不适合检测较宽的表面和内部缺陷。它适用于铸铁件的表面裂纹检测，尤其是在表面不是水平或表面不规则性与裂纹相比大得多的情况下。其实质就是利用漏磁场比缺陷大数十倍的特点把缺陷放大。铸铁造纸烘缸的铸铁材料特点和烘缸的结构特点正好符合磁粉检测的优势，因此，该检测法被认为是检测烘缸表面缺陷最好的选择，被广泛应用[15]。但是，它需要先对工件进行磁化，完成检测后还要退磁，而且一次检测的范围较小，相对大型烘缸来说，工作效率较低，并且磁痕分析对操作人员的经验依赖性较强。针对这些限制，磁粉检测将向着检测仪器自动化和磁痕分析智能化处理方向发展[16]。

(2)渗透检测

渗透检测是利用液体的毛细管作用，将渗透液渗入固体材料表面开口缺陷处，再通过显像剂将渗入的渗透液析出到表面显示缺陷的存在[17]。渗透检测所用的设备简单，对于现场检测有较大的优势。该方法可广泛应用于大部分的非吸收性物料，如钢铁，有色金属，陶瓷及塑料等，对于形状复杂的缺陷也可一次性全面检测。但其试剂成本较高，而且只能检测表面开口缺陷，检测程序繁琐，喷涂渗透液和渗透时间长，灵敏度低于磁粉检测，对于埋藏缺陷或闭合性表面缺陷无法测出，对被检测物体表面光洁度有一定要求。对铸铁造纸烘缸来说，该方法能充分发挥现场检测的优势，对端盖等形状复杂部位可以实现很好的检测效果。但是它也存在较多局限：一是烘缸材料结构缩孔或疏松可能对渗透结果扩大，影响缺陷评价；二是如果烘缸外表面镀铬，则检测可能无法进行；三是检测内表面时要打开人孔进入缸内，需要较长时间；四是烘缸结构大、数量多，一条生产线往往有数十个烘缸，喷涂渗透试剂和等待渗透会占用很长时间；五是铸铁造纸烘缸内表面一般不平整，表面处理比较困难。对于造纸工业生产来说，长时间停产是不允许的。

针对渗透检测效率不高的特点，国内外都有人尝试了一些自动化措施来提高效率，如大型铸件采用静电喷涂荧光液体、大批量的零件建立自动生产线，如美国辛迪克斯公司的叶片自动荧光检验系统。渗透检测研究主要发展思路是降低渗透剂成本、缩短喷涂渗透时间，朝着自动化方向发展，这也是其能够在烘缸检测中解决局限、充分发挥其原有优势的做法。

(3)涡流检测

涡流检测是基于电磁感应原理，用电磁场对金属工件进行电磁感应，使工件产生变化的涡流，从而产生变化的磁场，然后用传感器测出工件表面或近表面的磁场是否存在异常，由此得到工件的表面或近表面是否有缺陷[18]。对被检工件缺陷定性、定位和定量，主要是通过磁场最大值出现的时间来判断。涡流检测时线圈不必与被测物直接接触，可进行高速检测，易于实现自动化，并且检测时不需要对工件进行表面处理，大大节省了时间。对于铸铁造纸烘缸作业线，涡流检测具有可以不用耦合介质和不需进行表面处理等优势。但涡流检测一是不适用于形状复杂的零件；二是只能检测导电材料的表面和近表面缺陷，检测结果也易受到材料本身及其它因素的干扰；三是随着检测的缺陷深度、涡流渗透深度增加，激励频率的降低，表面的涡流密度下降，检测灵敏度也会随之降低[19]。这样，无法从外表面对内表面的缺陷进行检测；检测内表面时需要打开人孔，花费大量时间，对内表面的涡流感应实现起来比较困难；在检测烘缸端盖时，由于端盖的结构复杂，检测的准确性会受到较大的影响。

(4)超声波检测

超声波检测是应用最广泛的无损检测方法之一，它利用进入被检测材料的超声波，在遇到材料表面或内部缺陷时，传播状态发生改变，如反射、衍射和发射波减弱等，通过仪器接收改变后的超声波进行分析，就可以对工件是否存在缺陷等状态进行判读[20]。超声检测的优势有[21～23]：

① 不受材料限制，一般只需要从一侧接近被测物体；

② 设备轻便，对人体和环境基本无害，对在用工件检测有较大优势；

③ 灵敏度高，可检测出材料内部较小的缺陷；

④ 既可以检测出与检测面相对平行的缺陷，也可以检测出与检测面相对垂直的缺陷，对在深度方向重叠的缺陷也可以检出，而射线检测就难以检出与检测面相对垂直的缺陷，对重叠缺陷也无法反映。

基于以上优势，超声波检测在铸铁造纸烘缸的无损检测中应用较多，尤其是需要同时检测表面缺陷和内部缺陷的情况下应用更多。该方法可以满足只从烘缸外表面对烘缸整个壁厚的缺陷检测，无需打开人孔，节省了检测时间。但是，该方法在烘缸检测上也有局限：

① 纵波反射法检测存在盲区，近表面和表面的缺陷有时难于测出；

② 缺陷取向对检测灵敏度有影响，从而影响结果的可靠性；

③ 由于造纸烘缸的铸铁材料晶粒大、片状石墨较多和缩孔多等特点，超声检测效果有时不够准确；

④ 烘缸结构复杂，特别是端盖部位，其变曲率和不等厚度对超声波影响较大；

⑤ 传统超声检测需要耦合剂，涂抹耦合剂对大型工件来说比较麻烦。

基于以上局限性，人们尝试很多方法：

① 利用低频率超声波来减少铸铁材料晶粒大等的影响；

② 用双晶探头检测近表面和大曲率部位；

③ 用声程衍射时间法（TOFD）检测体积型缺陷等，取得了较好的实际效果。

但是结果的可靠性还是难趋完美，各种新技术的探索不断出现，如相控阵超声波技术、激光散斑技术、激光超声检测技术、非线性超声波技术、超声导波技术和空气耦合技术等[24,25]。

5 总结和展望

造纸烘缸的使用安全事关重大，国家相关部门已经通过法规要求烘缸必须至少每两年定检一次。由于无损检测技术的局限性，目前的定检大多是人眼宏观检查为主，这样无法最大限度的排除人为因素影响，更无法确认烘缸的使用安全。但是，无损检测技术代替人眼宏观检查是烘缸安全检测的必然之路。铸铁造纸烘缸的无损检测趋势将是：

(1)节省时间，不开人孔，单从外表面即可进行整个厚度范围，包括表面和内部的缺陷检测；

(2)开发便携式自动化检测系统，减少人为因素的影响，提高检测效率和可靠性。不但要在信息获取环节加强自动化程度的推进，还要在数据分析环节智能化方面加速发展；

(3)加强检测技术的改进，解决无损检测方法的局限性，提高检测结果全面性和准确度。

根据目前的研究情况，大多数人都趋向于用超声波技术检测烘缸的缺陷，这样比较容易达到目标，并且在常规超声波技术基础上，进行新技术探索。激光超声检测技术、空气耦合技术、超声衍射时差等技术代表了铸铁造纸烘缸超声无损检测技术朝数字化、自动化和智能化的方向发展。尤其烘缸的相控阵超声波技术是目前关注的重点，很多人致力于研究自适应聚焦相控阵超声系统、自适应信号补偿技术、柔性低频相控阵阵列探头和相控阵三维成像技术等，预计在不久的将来就会有突破性的进展。

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