轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)裂紋產(chǎn)生原因分析及解決方案
技術(shù)支持
1 干燥機(jī)簡(jiǎn)介
山西天脊煤化工集團(tuán)股份有限公司硝銨產(chǎn)品干燥機(jī)是硝銨廠重點(diǎn)設(shè)備之一，該干燥機(jī)屬于回轉(zhuǎn)圓筒干燥機(jī)（簡(jiǎn)稱干燥機(jī)），干燥機(jī)型號(hào)Φ3200mm×32000mm，筒體材質(zhì)Q235-A，筒體厚度18mm，滾圈加強(qiáng)段筒體厚度40mm。筒體內(nèi)壁用螺栓固定有不銹鋼升舉抄板。該干燥機(jī)用熱空氣來(lái)干燥硝銨產(chǎn)品，采用并逆流組合方式，干燥機(jī)兩頭進(jìn)氣，中間抽氣，中間裝有空氣出口導(dǎo)流通道。干燥機(jī)兩端裝有空氣加熱器，對(duì)空氣進(jìn)行加熱，加熱后硝銨入口側(cè)空氣溫度70～80℃，出口側(cè)空氣溫度110～120℃。硝銨產(chǎn)品干燥過(guò)程分為兩段：預(yù)干燥段和干燥段，硝銨入口側(cè)為預(yù)干燥段，硝銨出口側(cè)為干燥段。進(jìn)入干燥筒的濕硝銨產(chǎn)品，先經(jīng)預(yù)干燥段與熱空氣入口溫度70～80℃的熱空氣順流換熱后，越過(guò)干燥筒中部的氣體出口導(dǎo)流通道，進(jìn)入干燥段，在干燥段與熱空氣入口溫度110～120℃的熱空氣逆流換熱，干燥后的硝銨產(chǎn)品輸出干燥機(jī)。
其中鞍座板的作用是將筒體載荷傳遞到滾圈上，使筒體不直接與滾圈相磨損。滾圈的作用是支撐整個(gè)回轉(zhuǎn)體的質(zhì)量，使其能在托輪上回轉(zhuǎn)，因此滾圈必須要有足夠的剛性和耐久性。該干燥機(jī)采用的是實(shí)心矩形滾圈，冷態(tài)下滾圈松套在筒體鞍座板位置，滾圈與鞍座板之間預(yù)留了一定間隙，合適的預(yù)留間隙使筒體在熱態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滾圈與墊板間不存在間隙。滾圈與鞍座板之間在圓周方向上對(duì)稱設(shè)置有兩個(gè)平鍵，可阻止?jié)L圈與墊板間沿周向的相對(duì)滑動(dòng)。
2 干燥機(jī)裂紋分布及特點(diǎn)
干燥機(jī)是1999年硝銨項(xiàng)目投產(chǎn)時(shí)投用，干燥機(jī)年設(shè)計(jì)負(fù)荷20萬(wàn)噸，自2003年開始運(yùn)行負(fù)荷達(dá)到24～25萬(wàn)噸。近年來(lái)干燥機(jī)運(yùn)行一直比較平穩(wěn)，沒有發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。2008年對(duì)預(yù)干燥段滾圈鞍座板進(jìn)行了更換，2008年開始滾圈與鞍座板之間的平鍵因頻繁被擠出，又因回裝困難，放棄安裝。
2011年5月12日，系統(tǒng)停車搶修期間，對(duì)干燥機(jī)進(jìn)行了例行檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)筒體多處出現(xiàn)裂紋，按裂紋分布及特點(diǎn)歸納起來(lái)可分為4種：鞍座板位置縱向長(zhǎng)裂紋、環(huán)焊縫位置縱向短裂紋、筒體出口邊緣縱向裂紋、筒體中部氣體出口導(dǎo)流通道焊縫裂紋。
種，鞍座板位置筒體縱向裂紋。裂紋特點(diǎn)：縱向沿筒體軸線方向延申，筒體圓周共發(fā)現(xiàn)8條，長(zhǎng)達(dá)1100mm，短至600mm，且多處位置筒體裂透；出口側(cè)鞍座板位置較入口側(cè)鞍座板位置嚴(yán)重，入口側(cè)鞍座板位置僅發(fā)現(xiàn)一條縱向裂紋。
第二種，筒體環(huán)焊縫位置縱向短裂紋。裂紋特點(diǎn)：垂直于環(huán)焊縫，較短（50～60mm），沿環(huán)焊縫有無(wú)數(shù)條，出口側(cè)筒體較多。
第三種，筒體出口邊緣縱向裂紋。裂紋特點(diǎn)：垂直筒體邊緣，長(zhǎng)度100～200mm，沿筒體邊緣有多條。
第四種，筒體中部氣體出口導(dǎo)流通道焊縫裂紋。裂紋特點(diǎn)：有多處，均沿焊縫開裂。
3 裂紋產(chǎn)生原因
（1）筒體鞍座板位置縱向長(zhǎng)裂紋產(chǎn)生原因：從筒體的受力分析看，整個(gè)筒體重量通過(guò)滾圈傳遞給托輪。在滾圈位置，筒體在兩托輥的支撐及筒體自重和物料重力共同作用下，筒體圓形橫截面在徑向力作用下發(fā)生橢圓變形，表現(xiàn)在筒體與滾圈的間隙上：上方間隙較大，左右兩側(cè)間隙小，下部沒有間隙。即筒體上下曲率半徑變大，筒體兩側(cè)曲率半徑變小，可見筒體在圓周方向上受到彎矩即彎曲應(yīng)力作用。
筒體在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，筒體橫截面上沿圓周方向各點(diǎn)的曲率半徑在隨時(shí)間周期性變化，即筒體各點(diǎn)的彎曲應(yīng)力隨時(shí)間做周期性的變化，這種隨時(shí)間作周期性變化的應(yīng)力成為交變應(yīng)力（也稱循環(huán)應(yīng)力）。在交變應(yīng)力的作用下，雖然筒體所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的工作后，會(huì)達(dá)到材料的疲勞極限，產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為金屬的疲勞。鞍座板筒體縱向裂紋的產(chǎn)生就是筒體受到交變的彎曲應(yīng)力長(zhǎng)期作用，達(dá)到了材料的疲勞極限，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。由于筒體橫截面上彎曲正應(yīng)力是沿圓周切線方向的，所以疲勞裂紋是縱向的，即裂紋沿筒體軸線方向延伸。由于鞍座板位置筒體受力較大，所以此處裂紋較嚴(yán)重。
（2）筒體環(huán)焊縫位置縱向短裂紋產(chǎn)生原因：由于焊接原因使焊縫位置材料發(fā)生變化，在運(yùn)行中焊縫位置應(yīng)力比較集中導(dǎo)致焊縫周圍疲勞強(qiáng)度降低，同樣在沿圓周方向彎曲應(yīng)力的作用下，在焊縫邊緣位置產(chǎn)生垂直于環(huán)向焊縫的縱向裂紋。
（3）筒體邊緣裂紋產(chǎn)生原因：筒體彎曲交變應(yīng)力及筒體振動(dòng)共同作用所致。為什么筒體出口側(cè)出現(xiàn)裂紋，而入口側(cè)沒有出現(xiàn)裂紋。一是和溫度有關(guān)，出口側(cè)溫度高于入口側(cè)溫度，溫度高疲勞強(qiáng)度低，所以疲勞斷裂。二是和筒體振動(dòng)有關(guān)，振動(dòng)大，筒體易開裂。筒體振動(dòng)大小與筒體驅(qū)動(dòng)位置有關(guān)。該筒體驅(qū)動(dòng)位置靠近入口側(cè)，筒體長(zhǎng)32000mm，離驅(qū)動(dòng)位置越遠(yuǎn)，受約束越小，筒體端部跳動(dòng)就越大，更易導(dǎo)致材料疲勞，產(chǎn)生裂紋。
（4）筒體中部氣體出口導(dǎo)流通道焊縫開裂原因：氣體出口導(dǎo)流通道位于筒體中部，由于筒體受力及南北托輥的支持作用，筒體在軸線方向上發(fā)生彎曲變形，在中部氣體出口處彎曲應(yīng)力較大。由于筒體轉(zhuǎn)動(dòng)，在氣體出口處同樣受到交變的彎曲應(yīng)力作用，導(dǎo)流通道焊縫位置應(yīng)力比較集中，長(zhǎng)期運(yùn)行導(dǎo)致焊縫疲勞開裂。
（5）在出口側(cè)裂紋較入口側(cè)多且嚴(yán)重。
①出口側(cè)滾圈與鞍座板間隙大。干燥機(jī)筒體從設(shè)計(jì)角度來(lái)講應(yīng)具有足夠的剛度和強(qiáng)度，從安裝和運(yùn)轉(zhuǎn)中的維護(hù)來(lái)講，應(yīng)保持筒體軸線的直線性和截面的圓度。
②出口側(cè)滾圈與鞍座板之間平鍵的缺失。2008年開始，該鍵就未安裝，由于滾圈是松套在圓周方向相對(duì)定位?，F(xiàn)如今平鍵的缺失導(dǎo)致在筒體轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中二者之間在圓周方向產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，不斷磨損，日積月累，勢(shì)必導(dǎo)致滾圈與鞍座板間隙的增大，大大削減了滾圈對(duì)筒體剛性的加強(qiáng)作用。
③出口側(cè)溫度高于入口側(cè)溫度，材料的疲勞強(qiáng)度大小與材料所處的環(huán)境溫度高低有關(guān)。干燥機(jī)筒體材料是Q235-A，屬于碳鋼，就碳鋼而言，疲勞強(qiáng)度從室溫到120℃時(shí)下降，從120℃到350℃又上升，溫度高于350℃以后又下降，在高溫時(shí)沒有疲勞極限。從筒體的運(yùn)行狀態(tài)可知，筒體入口側(cè)屬于預(yù)干燥段，入口空氣溫度在70～80℃，筒體的出口側(cè)屬于干燥段，入口空氣溫度在110～120℃，中間空氣出口溫度在50～60℃，所以整個(gè)筒體的溫度在50～120℃。在該溫度范圍內(nèi)，筒體的疲勞強(qiáng)度隨溫度的升高而降低，即出口側(cè)筒體的疲勞強(qiáng)度低于入口側(cè)的疲勞強(qiáng)度，故導(dǎo)致筒體出口側(cè)裂紋比入口側(cè)裂紋嚴(yán)重。
（6）筒體材質(zhì)采用的是Q235-A，是干燥機(jī)制造標(biāo)準(zhǔn)（JB/T 8852.2-2000）中允許使用的較低材質(zhì)，該材質(zhì)只要求力學(xué)性能不要求化學(xué)成分，且出廠不要求做沖擊試驗(yàn)（參見GB/T 700-2006碳素結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)）。由干燥機(jī)工作原理可知，物料被筒體內(nèi)壁固定的升舉抄板舉起，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到高處時(shí)，物料被撒落下來(lái)，撒落下來(lái)的物料對(duì)筒體產(chǎn)生沖擊作用，干燥機(jī)筒體受沖擊載荷作用，對(duì)筒體材料的抗沖擊載荷能力有一定的要求，由于該筒體所用材質(zhì)選用的是Q235-A，該材質(zhì)抗沖擊載荷能力較弱，也是導(dǎo)致筒體使用壽命縮短，多處出現(xiàn)大量裂紋的原因之一。
（7）從多年來(lái)干燥機(jī)運(yùn)行狀態(tài)看，該干燥機(jī)一直超負(fù)荷運(yùn)行，年設(shè)計(jì)20萬(wàn)噸，實(shí)際24～25萬(wàn)噸，超負(fù)荷運(yùn)行也必然導(dǎo)致干燥機(jī)使用壽命縮短。
4 修復(fù)及防護(hù)措施
因筒體局部或整體更換的難度都比較大，且檢修費(fèi)用高，檢修時(shí)間長(zhǎng)，暫且不予考慮，目前能做的是采取措施，盡量延長(zhǎng)筒體使用壽命，適時(shí)準(zhǔn)備備件。
（1）2011年5月因是搶修，時(shí)間有限，僅對(duì)裂紋進(jìn)行了防擴(kuò)展處理，在所有裂紋兩端均打Φ（4～5）mm止裂孔，并用鉚釘將止裂孔鉚死，防止漏料。另外在出口鞍座板處選取一條長(zhǎng)裂紋進(jìn)行了打磨補(bǔ)焊處理，并在筒體外面補(bǔ)焊鋼板兩塊，在出口側(cè)筒體邊緣處選一條裂紋進(jìn)行了補(bǔ)焊處理，對(duì)筒體中部導(dǎo)流通道的所有焊縫裂紋進(jìn)行了補(bǔ)焊處理。近期利用停車機(jī)會(huì)對(duì)裂紋的發(fā)展情況進(jìn)行了檢查，絕大多數(shù)裂紋沒有擴(kuò)展。
（2）利用2011年10月大修機(jī)會(huì)對(duì)筒體進(jìn)行修復(fù)和加強(qiáng)。準(zhǔn)備對(duì)鞍座板處長(zhǎng)裂紋進(jìn)行挖補(bǔ)焊接，并在鞍座板位置筒體內(nèi)部加焊一定寬度的圓筒襯套對(duì)筒體進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。對(duì)筒體邊緣裂縫全部進(jìn)行挖補(bǔ)焊接，焊縫邊緣小裂紋視裂紋擴(kuò)展情況再作處理，并對(duì)補(bǔ)焊部位進(jìn)行焊后消應(yīng)力熱處理。
（3）做好日常的防護(hù)檢查工作，延長(zhǎng)筒體使用壽命。
①加強(qiáng)檢查，了解裂紋發(fā)展情況及措施作用情況，以便及早采取應(yīng)對(duì)措施。
②調(diào)整好托輥與筒體軸線的平行度，保證筒體軸線的直線度，改善筒體受力情況，使各托輥受力均勻，防止筒體在某處的應(yīng)力集中。
③調(diào)整好滾圈與鞍座板的間隙，減小間隙，減小筒體變形，改善筒體受力情況，延長(zhǎng)筒體壽命。
5 結(jié)論
從裂紋產(chǎn)生的原因看，筒體受交變應(yīng)力作用，長(zhǎng)期運(yùn)行必然導(dǎo)致筒體疲勞開裂，滾圈與鞍座板之間平鍵的缺失導(dǎo)致了二者之間間隙的加大，在很大程度上加快了筒體疲勞損壞的程度。擬采取的挖補(bǔ)焊接及內(nèi)襯加強(qiáng)筒體的措施，只能在一定程度上延長(zhǎng)筒體的使用壽命。今后使用過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)筒體的檢查，注意筒體缺陷的發(fā)展情況，適時(shí)制作新備件，以備不時(shí)之需。新備件應(yīng)適當(dāng)考慮提高材料等級(jí)和改善筒體結(jié)構(gòu)等措施，提高筒體的抗疲勞能力。并在使用過(guò)程中，應(yīng)調(diào)整好鞍座板與滾圈的間隙，調(diào)整好托輥與筒體的平行度，保證筒體軸線的直線度，改善筒體受力狀況，延長(zhǎng)筒體使用壽命。
