回转窑筒体裂纹红外无损在线检测研究

王成健， 王一晨， 王 伟*

(1.东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150086；2.安徽工程大学经济与管理学院，安徽 芜湖 241000)

水泥是基建三大材料(钢材、水泥和木材)之一，水泥工业也是国家的基础建材原材料工业，是一个国家经济发展的支柱产业。2021年我国水泥熟料产量23.63亿t，已连续36年稳居世界第一。目前，水泥行业正持续优化产业结构，淘汰落后和化解过剩产能，加快推进水泥工业先进工艺技术装备研发应用，以实现“降本增效”和水泥工业的跨越式发展[1]。

水泥生产是典型的传统流程性行业。新型干法水泥线煅烧技术装备趋向大型化、监控精细化、控制自动化等方向变革。水泥工业用回转窑是水泥生产线最重要的煅烧设备，其承担着石灰石生料粉的煅烧分解、输送等工艺过程，不仅是连接上、下游设备的“桥梁”，而且是水泥线熟料锻烧过程的关键核心设备[2]。常见窑筒体直径数米，长度几十米，由厚度不等的筒段节现场组对拼焊而成，窑头喷煤燃烧器伸入筒体内部，通过喷出的煤粉燃烧产生的热辐射、传导、对流将物料加热到所需的温度，窑内温度可达1 000 ℃～1 500 ℃，筒体外表面温度在300 ℃～400 ℃。石灰石生料粉在窑筒体内煅烧分解过程中达到1 200 ℃以上高温而挥发出含有大量氧、硫、氯等有害气体，同300 ℃～400 ℃的钢板接触使筒体钢板产生腐蚀。窑筒体钢板在高温作用下产生蠕变，加上焊缝的焊接应力以及焊缝附近热影响区应力，使其强度大幅降低，容易导致窑筒体出现裂纹[3]，回转窑筒体裂纹如图1所示。从裂纹产生的位置以及裂纹走向可知，存在不可预见性和较大的离散性，回转窑筒体受到多种载荷因素相互耦合交互作用，这对窑筒体服役安全性提出了新的挑战[4]。因此，回转窑筒体缺陷的在役检测技术研究和窑筒体安全寿命评估以及由缺陷引起的破坏研究十分具有现实意义。

图1 回转窑筒体裂纹

回转窑筒体制作从板材下料到筒体拼接有严格的焊接技术规范和制造标准，并对每块板材、每条纵向和环向焊缝的焊接质量有明确探伤要求，在安装现场对每个窑筒节的对接组焊以及焊接质量检查也有严格的技术指导规范，所以杜绝了窑筒体制作安装过程中的质量问题出现[5]。目前，在回转窑筒体缺陷探伤检测方面，对于承压设备缺陷的无损检测，常见的方法有：射线检测、超声检测、磁粉检测和渗透检测等，每一种无损检测方法都有各自的优缺点和特性，传统无损检测方法对比见表1。

表1 传统无损检测方法对比

在传统的无损检测方法中，超声检测能快速分辨缺陷，且定位精确；射线检测对焊缝的夹渣、气孔等体积型缺陷比较灵敏；磁粉检测能快速检测铁磁性材料的表面缺陷，操作简单，结果直观；渗透检测原理简单，操作容易，灵敏度高，能在线检测，并能检测大型设备和形状不规则的零件。

在回转窑筒体无损检测方面，由于回转窑是高温设备，需在停机状态下且窑筒体表面温度冷却至室温，通过人工利用超声波无损检测技术检测窑筒体外表面，检测速度慢、周期长，高空作业劳动强度大，灵活性、跟踪能力差，且具有滞后性，检测具有随意性，容易产生漏检，所以目前缺乏回转窑在役工作状态下的筒体缺陷在线检测[6-9]。

1 基本原理

红外无损检测技术是将可控热载荷(如脉冲、连续循环加热等)主动应用到被测目标对象上，使材料中的缺陷或损伤可以通过表面温度梯度来呈现。红外热成像系统用于连续观测和记录被测目标物体表面温度场的变化，对被测物体的红外热成像序列进行采集、处理和分析后，可以实现对物体内部缺陷的快速检测和定性识别。

回转窑筒体红外无损检测原理图如图2所示。对于常见的裂纹、气孔、剥落、夹渣、分层等缺陷，由于缺陷区的热导率低于材料本身的热导率，因此缺陷区的温度高于周围非缺陷区域温度，通过表面温度梯度的差异很容易检测到缺陷[10]。

图2 红外无损检测原理图

2 数值模型及简化

本文以水泥5 000 t/d生产线(Ø4.8 m×74 m回转窑)为研究对象，图3所示为水泥回转窑现场整体概况。在窑筒体内进行着传热、煅烧分解和化学反应等复杂过程，由于其内部工况复杂，难以建立准确函数模型，为了建立窑筒体的传热模型，本文做以下简化：

图3 水泥回转窑现场概况图

(1)回转筒体跨度很长，且在工作运转过程中从窑尾到窑头温度分段不等，窑筒体板厚从28～85 mm也不相等；根据现场容易出现“裂纹”的区域，我们选取窑筒体“分解带”距离窑头约45 m处的筒节，(宽度2 300 mm×板厚28 mm)，并在筒节上预制了六种缺陷宽度分别为1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm，深度相等均为20 mm的裂纹作为研究目标，如图4所示。

图4 含有裂纹的窑筒节模型

(2)建立的数值模型中没有考虑筒体内部窑皮、结圈的存在，仅模拟施加在耐火砖表面的温度载荷有效范围。

(3)由于窑筒节和耐火砖的厚度在径向方向相对于筒体长度来说比较小，不考虑窑内耐火砖表面的辐射热交换和窑筒节侧面的对流传热。

2.1 数值计算结果及分析

在建立含有缺陷裂纹区域的窑筒体有限元模型基础上，利用ANSYS有限元软件处理分析，主要通过三个步骤来完成，即定义材料属性和划分合适的网格(如图5)、稳态热学温度场求解分析，得到求解结果如图6所示窑筒节表面温度场云图。

图5 窑筒节模型网格细化结果

图6 窑筒体表面温度场云图

图中亮度值较高的区域即为裂纹，能够清晰看到缺陷裂纹的形状，由上图可知裂纹区的温度明显高于附近正常区筒体的温度，从上图温度云图中能清晰看出裂纹发展的走向。

2.2 缺陷宽度与温度参数分析

为了研究窑内热通量载荷温度对不同尺寸缺陷检测的影响，我们模拟了在不同热通量载荷温度(1 250 ℃～1 500 ℃)下的热对比度情况。

由图7可知，窑内热通量载荷温度越大，窑筒节表面最大温差越大；窑筒节缺陷宽度越大，筒节表面温差越大，即缺陷的宽度越大，缺陷越容易被检测到。通过数值模拟分析求解结果，缺陷宽度在1 mm时，随着窑内热通量载荷温度增大，筒节表面热对比度温差增加幅度0.5 ℃；缺陷宽度在6 mm变化时，随着窑内热通量载荷温度增大，筒节表面热对比度温差增加幅度0.6 ℃，表明窑筒节表面热对比度温差值与缺陷宽度尺寸线性相关。因此，可以通过检测提取回转窑筒体表面温度梯度差值来定性确认缺陷的信息。

图7 缺陷温度差

3 小结

本文以某水泥生产基地5 000 t/d生产线(Ø4.8 m×74 m回转窑)为研究对象，分析了回转窑筒体易出现缺陷裂纹的区域，并针对该区域利用ANSYS数值模拟窑筒体裂纹仿真分析，研究了不同参数(缺陷宽度不同、加载温度不同)条件下，回转窑筒体表面温度梯度变化，得到了裂纹区域与无缺陷区域的表面温差变化规律，揭示了红外无损检测技术在回转窑筒体裂纹在线检测中的作用，为后期的红外热波图像处理和分析提供了重要的理论依据。