浅析在用铸铁烘缸缸盖产生裂纹的原因
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摘要：本文介绍了在用铸铁烘缸端盖出现裂纹的情况，分析了裂纹产生及裂纹扩展的原因，并提出烘缸安全运行的几点建议。
关键词：铸铁烘缸 缸盖 裂纹 内应力 安全
0引言
2013年7月内江市某企业更换一生产用铸铁烘缸，该烘缸在运行三个月后出现操作侧端盖泄漏蒸汽现象，检查后发现该烘缸操作侧端盖与轴头连接圆弧过渡部位出现裂纹，裂纹围绕转轴近240°，见图一。
图一
1 烘缸介绍
该烘缸由丹东某烘缸生产企业制造，生产日期2013年1月，2013年7月投入使用，设计压力0.5MPa，设计温度158℃，工作介质蒸汽，最高工作压力0.3-0.4MPa，缸面材料HT250，端盖材料HT250，规格为φ1500mm×4000mm×28mm，容积6.6m?，端盖采用凹型结构。按照《固定式压力容器安全技术监察规程》，该烘缸为第一类压力容器。
烘缸是用铸铁制成的两端有盖的空心圆筒，由缸面及其两端的端盖组成，外径多为1000～3000mm，制造烘缸的材料一般多为HT200、HT250。 烘缸的作用是在旋转过程中，用内通蒸汽将输送的纸张烘干烫光。
2 现场情况调查
该企业生产线共有2台纸机，每台纸机有10台烘缸，烘缸用蒸汽由一台SZL10-1.25-AⅢ锅炉产生，额定蒸汽压力1.25MPa，蒸汽由蒸汽管道进入分气缸，再由分气缸经减压阀进入蒸汽支管，蒸汽支管连接每台烘缸的蒸汽接头，进入烘缸内部，工艺流程见图二。
图二
锅炉、分气缸、蒸汽管道安全阀和压力表在校验有效期内，外观及铅封完好，分气缸安全阀整定压力0.8MPa，蒸汽管道安全阀整定压力0.48MPa，分气缸与蒸汽管道间安有减压阀。烘缸的实际使用压力为0.3-0.4MPa，工作温度低于158℃，运行条件符合设计运行工况。
（1） 该烘缸安装时进行了安装告知，出厂技术资料、注册登记手续齐全，技术资料中未发现有不符合标准、规范的项目。运行条件符合设计运行工况，因此可排除因超温超压引起裂纹的可能。
（2） HT250是珠光体类型的灰铸铁，可用于高强度和一定耐蚀能力的泵壳、容器、塔器、法兰、填料箱本体及压盖等。其优点是：其强度、耐磨性、耐热性均较好，减振性良好，铸造性能较优，对应力集中的敏感性较低。缺点是：综合机械性能低，壁厚变化对机械性能影响大，冷却速度的敏感性很大，因此，薄截面容易形成白口和裂纹，而厚截面又容易形成疏松。铸件上的一些部位，如结构突变处、轴孔和T型槽等较厚处，容易产生缩孔、缩松等缺陷，当这些部位的厚度与周围连接壁相差过大时还易产生裂纹等缺陷。灰铸铁件的独有特性，使端盖与轴头连接部位的机械性能降低，并容易出现裂纹。
（3）钻取该缸盖裂纹处材料进行化学分析，结果见下表：
试样编号 化学成分（%）
C Si Mn P S
HT250-1 3.22 1.74 0.89 1.946 0.078
由上表可以看出，P元素含量达到1.946%，在灰铸铁件中P元素推荐含量为≤0.2%[1]，该缸盖中P元素含量超出推荐含量9.7倍。P元素在铸铁中以低熔点二元或三元磷共晶存在于晶界，P不是促进碳化物形成元素，但显出正偏析特性，P含量提高，力学性能尤其是韧性和致密性降低。P含量高往往是铸件产生冷裂纹的原因。
（4） 铸造过程中铁液冷却凝固，型芯妨碍铸件收缩，在铸件内引起拉应力，不同的冷却速度，使先冷的薄壁妨碍后冷的厚壁收缩，在厚处产生拉应力，薄处产生压应力，经实测，这些应力叠加可是铸件内应力达220MPa[1]。内应力和铸件承受的负载一起造成一个超过铸件本身强度的总应力，使铸件失效开裂，再加上磷还有促进铸件形成缩孔、缩松倾向，顾很容易在结构突变部位或厚度与周围连接壁相差过大处产生缩孔、缩松等缺陷，甚至产生裂纹，形成裂纹源。
4 裂纹扩展分析
烘缸在运转过程中两端轴头要承受烘缸缸面和缸内冷凝水的重量，也要承受转动时产生的弯曲、扭转力和振动力，轴头承受弯扭复合作用。还有就是轴头距烘缸缸面（缸面长4000mm）中心较远，在转动烘缸自身重力作用下，轴头势必发生一定的变形，在端盖与轴头连接圆弧过渡处产生应力集中，该部位承受着相当大的动应力，而且HT250抗疲劳能力极差，因此交变应力加速了裂纹源的扩展，最终导致疲劳失效。
5 结语
上述对裂纹产生和扩展分析可知，为提高烘缸的使用寿命、保障其安全可靠运行，应做到以下几点：
（1） 烘缸制造单位在烘缸制造过程中应严格遵守设计技术要求及制造工艺要求，以及对冶金过程进行周密的考虑和采取必要的措施，以减少在制造过程中产生缺陷的机率。在条件允许时，应对端盖进行优化设计，改变端盖的结构[2]，如设置加强筋、采用凸型端盖，结构突变部位由直角改成圆角等，以减少应力集中；也可以用钢制烘缸或者铸钢烘缸[3]代替铸铁烘缸。
（2） 使用单位应建立健全烘缸类压力容器的安全技术档案和安全使用管理制度，并制定相应的安全操作规程。烘缸操作人员应经培训机构培训考核合格后持证上岗，在使用过程中发现异常情况及时处理和汇报。
（3） 使用单位应当按照有关安全技术规范的要求，落实、执行在用烘缸的年度检验和定期检验[4]；减压阀、安全阀、压力表等安全附件，其型号、规格应与烘缸的技术参数相匹配，并定期进行校验，以保证在有效期内使用。
（4） 烘缸使用中应严格按照设计技术要求的运行工况运行，严禁超温、超压。
参考文献：
[1]《铸造手册》--铸铁 中国机械工程学会铸造分会，第二版
[2] 马明刚 孙长山 张东峻 卞学询，铸铁烘缸的失效分析--端盖结构优化[J]；
中国造纸；2007年 05期
[3] 章春亮，造纸机用钢制烘缸设计[J]；中国造纸；2001年01期
[4] TSG R70001-2013《压力容器定期检验规则》