Φ2.4m×8m磨機端蓋裂斷原因分析及修復

　　1、引言

　　廣州市石井水泥廠使用兩臺Φ2.4m×8m開流生料磨，于1993年11月安裝完畢，然后投入生產(chǎn)運轉(zhuǎn)。1995年4月24日發(fā)現(xiàn)進料端端蓋與補強板外圓的焊縫開裂約1500mm長，占此圓周長的26.3%。發(fā)現(xiàn)時，在Φ1880mm圓上端蓋鋼板已裂透，最大裂縫寬度達到2mm，從磨內(nèi)往外可以看見亮光。經(jīng)過修復，于5月4日開磨，運轉(zhuǎn)相當平穩(wěn)。開磨后，已安全運轉(zhuǎn)了一年多，端蓋沒有變形，產(chǎn)量沒有降低，保證了生料的供應。

　　2、端蓋斷裂的原因分析

　　2.1  裂紋的形貌和位置

　　端蓋裂紋的位置和形貌見圖1。

　　裂紋發(fā)生在端蓋2與補強板3焊縫的邊緣Φ1880mm的圓周上，穿過10個孔距。補強板外圓直徑為Φ1820mm，厚度為15mm，設計角焊縫高度為15mm。通過觀察可見，焊縫表面及邊緣十分粗糙，與端蓋銜接部位凸凹不平，且咬肉嚴重，深度一般都在1.0mm左右。裂紋連續(xù)時總長約為1500mm，發(fā)現(xiàn)時裂縫的最大寬度達2mm，往外冒灰，即端蓋整個裂透。 

圖1  端蓋裂紋的位置和形貌 

1.筒體;2.筒體端蓋;3.補強板;4.中空軸法蘭 

　　2.2  裂紋產(chǎn)生的原因

　　2.2.1  端蓋和筒體厚度過薄

　　對中長磨，即長徑比L/D≈3的磨機筒體厚度，日本的經(jīng)驗公式為δ=D/100+(5～10)，德國的經(jīng)驗公式為δ=D/100～D/75。按此計算，Φ2.4m×8m磨機的筒體，最薄應為δ=24mm。因為其長徑比L/D=8/2.4=3.33，比3大得較多，所以應比24mm還要厚一些。如冀東水泥廠Φ4.5m×13.88m生料磨，L/D=3.08≈3.0，筒體厚度為δ=4500/100+5=50(mm);Φ4.5m×15.11m水泥磨，L/D=15.11/4.5=3.36，中部筒體厚度為δ=4500/100+10=55(mm)，整個筒體厚度為50+55+50(mm)，即分別相當于D/90和D/81.8。寧國水泥廠Φ4.5m×12.96m水泥磨，L/D=2.88<3.0，其筒體厚度為δ=58+63+58(mm)，相當D/77.6～D/71.4，中間部分的筒體比經(jīng)驗規(guī)定的還要厚3mm。美國富樂公司為巴基斯坦設計的Φ3.66m×11.28m水泥磨，L/D=11.28/3.66=3.08，其筒體厚度為δ=50mm，相當于D/73.2?；春Ｋ鄰SΦ4.2m×13m水泥磨，L/D=3.1，筒體厚度為55+60+55(mm)，相當于D/76.4～D/70。可是石井水泥廠的Φ2.4m×8m生料磨，L/D=3.33，比3大不少，按上述經(jīng)驗公式計算筒體厚度起碼應為29mm，相當于D/82.8，可實際上卻只有18mm，相當于D/133.3。可見這臺磨機的筒體厚度是相當單薄的。筒體單薄使端蓋受力惡化。 

　　Φ2.4m×8m磨機筒體端蓋厚度設計為45mm，比Φ2.2m×6.5m磨機筒體端蓋還薄5mm。Φ2.2m×6.5m磨機的長徑比L/D=6.5/2.2=2.96，筒體端蓋為50mm厚，發(fā)生裂斷的現(xiàn)象已屢見不鮮〔2〕。有的制造廠為解決這個問題，自己將端蓋加厚到60mm。而Φ2.4m×8m磨機，長徑比為L/D=8/2.4=3.33，直徑比2.2m大200mm，可端蓋厚度卻設計為45mm，可見過于單薄。筒體端蓋單薄，剛度不足，應力過高。

　　石井水泥廠Φ2.4m×8m生料磨的筒體和端蓋過薄，是產(chǎn)生裂紋的根本原因和主要原因，或者說是基本原因。

　　2.2.2  選材不當

　　裂紋發(fā)生后，通過對筒體鋼板取樣化驗，結(jié)果含錳量為1.72%，比16Mn鋼板含錳量的上限值還高出0.12%，見表1。

　　這說明，該磨機的鋼板不是制造廠給出的A3而是16Mn，且含碳量和含錳量都在上限或超過上限。 

表1  材料化驗結(jié)果與規(guī)定化學成分的對比  

16Mn鋼板不宜用來制造磨機的筒體，這一點現(xiàn)在已取得共識〔3〕。磨機筒體和端蓋的受力狀態(tài)與壓力容器、橋梁和船舶等不同，它是受反復交變應力，其破壞型式均為疲勞破壞。筒體和端蓋越裂越選用抗伸強度越高，也就是越硬的材料，結(jié)果事與愿違。越硬的材料，焊接性能越不好，抗疲勞和耐沖擊能力越差。上海新建機器廠用FLS公司的圖紙為巴基斯坦瓦河水泥廠3000t/d的回轉(zhuǎn)窯和磨機進行鋼板選材討論時，外方認為A3鋼板的含碳量過高，不同意使用。對我方提出的16Mn和20g鋼板，認為更不行。最后從德國進口HI鋼板，其含碳量≤0.16%。

　　對于受疲勞應力的磨機筒體和端蓋應選用含碳量低較軟的鋼板材料才是正確的。選用16Mn、20g和20R鋼板不僅貴約20%，使用時還容易破裂。我們在出口文萊國的Φ4.2m×11m磨機的筒體，由20g改為A3就節(jié)省了8萬元左右，而且還能改善使用性能，采購方便，施工簡單。

　　由上述可見，Φ2.4m×8m磨機的筒體和端蓋選材不當，對端蓋斷裂有一定的影響。

　　2.2.3  結(jié)構(gòu)不合理

　　(1)焊縫設計不合理

　　由圖1可見，補強板與端蓋的焊縫設計為角焊縫，焊縫高度為15mm，且焊縫表面不要求任何處理。這個焊縫應該要求焊后加工成凹弧狀，與端蓋銜接的邊緣或車削或打磨比較光滑，這樣便可大大降低應力集中，保證剛度漸變，提高抗疲勞能力，見表2和圖2。  

表2  表面光潔度和抗拉強度對疲勞強度的影響 

　　(2)補強板設計不合理

　　該磨機筒體的補強板較薄，僅為15mm。補強板的外圓直徑為Φ1820mm，與中空軸法蘭的外圓直徑Φ1780mm相比，一邊只大20mm。這樣，就形成了在Φ1850mm里邊的剛度特別大，而在Φ1850mm外邊的剛度突然減小，焊縫邊緣就變成危險截面。這就好像在一塊鐵板焊一根鋼絲，只要來回掰幾次，鋼絲就會從焊縫邊上斷裂一樣。如果將補強板的外圓直徑和厚度加大，使剛度向外逐漸變小，就會改善不少。

　　2.2.4  焊縫質(zhì)量差                          

　　焊縫周邊很不規(guī)矩，呈波浪形，且咬肉嚴重。圖紙要求焊后需要進行退火處理，實際上由于缺乏設備，沒有滿足圖紙要求。在焊縫兩側(cè)的熱影響區(qū)域內(nèi)，晶粒粗大，硬脆傾向明顯，因而抗疲勞強度顯著降低，再加上應力高度集中，必然首先由此處斷裂。

　　裂紋發(fā)生在進料端的端蓋上，而出料端暫時尚未出現(xiàn)裂紋。這是因為進料端緊靠粗磨倉，其內(nèi)的磨球較大，提升的又較高，所以沖擊力很大。這符合所有磨機筒體和端蓋斷裂都發(fā)生在前部的規(guī)律〔4〕，這個沖擊力在設計磨機筒體時是不容忽視的。因為這個沖擊力確定比較困難，因此在以前設計磨機筒體時均沒有考慮，今后應該充分考慮這一因素。

　　3、裂紋的發(fā)展

　　裂紋是從端蓋外表面焊縫邊緣咬肉最嚴重的一點發(fā)生的，逐漸往里和兩邊延展。磨機筒體每轉(zhuǎn)一周，焊縫邊緣受拉壓作用一個循環(huán)。該磨機的轉(zhuǎn)速為20.93r/min，從1993年11月投運到1995年4月24日發(fā)現(xiàn)裂紋為止，按日歷時間計算約為16個月。如果運轉(zhuǎn)率按80%計算，則實際運轉(zhuǎn)時間為16×0.8=12.8個月。因此，焊縫的應力循環(huán)次數(shù)為C=20.93×60×24×30×12.8=1.16×107。也就是說恰好在107左右，這種拉壓循環(huán)，對于端蓋來說則是彎曲循環(huán)，使裂紋逐漸擴展，最后導致整個端蓋裂透，且裂紋長度達1500mm之多。裂紋的發(fā)展速度是不等的，剛開始發(fā)生時發(fā)展較慢，而后逐漸加快。對石井水泥廠來說，幸好發(fā)現(xiàn)及時，否則再轉(zhuǎn)下去能夠整圈裂斷，出現(xiàn)像大同紅旗和天津水泥廠所發(fā)生的嚴重后果。

　　磨機筒體端蓋的受力十分復雜，既受靜力作用，又受動應力的影響。因此，國外有的公司，如丹麥史密斯公司已按動應力的原理進行設計。還有的國外公司利用有限元法進行優(yōu)化設計。筆者對此也進行了深入詳細的分析研究，參見文獻〔5〕。這些對正確分析端蓋所產(chǎn)生的問題，制定準確的修復方案等提供了極有價值的理論依據(jù)。

　　4、磨機端蓋裂縫的修復

　　根據(jù)該磨機筒體的結(jié)構(gòu)特點和存在的問題，筆者提出三個修復方案，供廠家參考。

　　(1)在筒體和端蓋外側(cè)加設過渡包板和加強筋。 

　　(2)在端蓋內(nèi)側(cè)加設輻射加強筋兼做端襯板支架，但筒體襯板需要切割掉一部分，筒體與端蓋接頭處的高應力區(qū)加強程度不足。

　　(3)在中空軸法蘭、筒體和端蓋加設整體加強筋，但中空軸一旦出事，拆卸和更換就比較困難。

圖3  裂縫修復示意圖 

　　1.磨機筒體;2.平端蓋;3.端蓋補強板;4.中空軸法蘭;5.輻射筋板;6.加固圈板 

廠方根據(jù)進度要求和切割高錳鋼襯板的經(jīng)驗，選擇了第2方案(見圖3)。這個方案雖然簡單，修復容易，但從使用效果看是最不好的，即使如此，此處也可維持15年的使用壽命。

　　修復的要點是控制端蓋焊后不發(fā)生變形，具體步驟如下：

　　(1)用拉線法或平尺測量焊前端蓋的平度，同時檢查裂縫有無錯位情況。實測結(jié)果表明，裂縫沒有錯位。測量時應事先打好測位點的標記，測量數(shù)據(jù)做好記錄，以便與焊后測量值進行對比。

　　(2)為了保證輻射筋板焊后在一個平面上，筋板的兩側(cè)面要求一刀加工，加固圈也應同時加工出來。

　　(3)倒球墊筒體，以免筒體和端蓋在受力狀態(tài)下焊接。

　　(4)在裂紋處和其對稱位置按圖紙要求用機械加工或氣刨開成對稱式的U型坡口，以控制較小的焊縫寬度，使熱影響區(qū)最窄，然后進行焊接，焊接時應注意以下問題：

　　在進行端蓋裂縫焊接時，應對稱、里外相間施焊(如果有條件，在焊接前最好進行預熱到150～200℃);選用好的焊工，能夠?qū)A渣吹出，焊透，以保證焊接質(zhì)量;筋板用A3鋼板加工而成，所以應選擇適合于兩種不同材料焊接的焊條;焊接時應滿足各種焊接要求。

　　(5)補強板與端蓋的外焊縫應進行補焊成圖紙所要求的尺寸，補焊時也應采用對稱施焊的辦法，然后用砂輪打磨光潔。

　　(6)檢查筒體與端蓋接頭處的內(nèi)外焊縫，內(nèi)焊縫邊緣用砂輪打磨光滑。

　　(7)焊接打磨完畢，檢查復測所有筋板端面的平度，如不符合要求應進行處理，直到滿足要求后為止。

　　(8)環(huán)形筋板上的四個孔是為端襯板固定后與端蓋所形成的空腔內(nèi)澆灌混凝土而設置的，因而灌完混凝土后應用相同大小和形狀的鋼板焊死。

　　(9)為使端襯板拆裝方便，在打混凝土時，每個襯板螺栓都需要加一個支撐套管。

　　(10)最后緊固端襯板的固定螺栓，在緊固時應里外配合，里敲外緊同時進行。

　　(11)將切割后的邊緣一圈筒體襯板裝上，襯板螺栓的緊固按第10條的要求進行。

　　5、修復結(jié)果

　　經(jīng)過五天的緊張修復，于5月3日下午空載試轉(zhuǎn)，一切良好，雖然一倉有效長度縮短60mm，但是產(chǎn)量并未降低，磨機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

　　從1995年5月3日至今已運轉(zhuǎn)14個月約420天一直正常，經(jīng)多次認真檢查，沒有發(fā)現(xiàn)任何異常現(xiàn)象。這表明對磨機筒體端蓋產(chǎn)生裂紋的分析是正確的，所采用的修復方法是可行的，雖然不及第一方案能夠保持更長的使用壽命，但修復時間很短，滿足了生料的供應，達到了窯不停產(chǎn)的要求，工廠非常滿意。 

　　 參考文獻

　　1　K.Cramer.Reparatur　einer　Mühlenstirnwand，ZKG，1987，(7)
　　2  江旭昌.再談管磨機筒體厚度的確定.管磨機文集.國家建材局技術(shù)情報研究所.1992
　　3  江旭昌.管磨機筒體鋼板正確選材的探討.水泥，1995，(5)
　　4  江旭昌.管磨機筒體厚度的確定.水泥技術(shù)，1987，(4、5)
　　5  江旭昌.磨機筒體平端蓋的理論分析與計算.管磨機文集.國家建材局技術(shù)情報研究所.1992