Φ2.4m×8m磨機(jī)端蓋裂斷原因分析及修復(fù)

　　1、引言

　　廣州市石井水泥廠(chǎng)使用兩臺(tái)Φ2.4m×8m開(kāi)流生料磨，于1993年11月安裝完畢，然后投入生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)。1995年4月24日發(fā)現(xiàn)進(jìn)料端端蓋與補(bǔ)強(qiáng)板外圓的焊縫開(kāi)裂約1500mm長(zhǎng)，占此圓周長(zhǎng)的26.3%。發(fā)現(xiàn)時(shí)，在Φ1880mm圓上端蓋鋼板已裂透，最大裂縫寬度達(dá)到2mm，從磨內(nèi)往外可以看見(jiàn)亮光。經(jīng)過(guò)修復(fù)，于5月4日開(kāi)磨，運(yùn)轉(zhuǎn)相當(dāng)平穩(wěn)。開(kāi)磨后，已安全運(yùn)轉(zhuǎn)了一年多，端蓋沒(méi)有變形，產(chǎn)量沒(méi)有降低，保證了生料的供應(yīng)。

　　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(jiàn)圖1。

　　裂紋發(fā)生在端蓋2與補(bǔ)強(qiáng)板3焊縫的邊緣Φ1880mm的圓周上，穿過(guò)10個(gè)孔距。補(bǔ)強(qiáng)板外圓直徑為Φ1820mm，厚度為15mm，設(shè)計(jì)角焊縫高度為15mm。通過(guò)觀(guān)察可見(jiàn)，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(yán)重，深度一般都在1.0mm左右。裂紋連續(xù)時(shí)總長(zhǎng)約為1500mm，發(fā)現(xiàn)時(shí)裂縫的最大寬度達(dá)2mm，往外冒灰，即端蓋整個(gè)裂透。 

圖1  端蓋裂紋的位置和形貌 

1.筒體;2.筒體端蓋;3.補(bǔ)強(qiáng)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(guò)薄

　　對(duì)中長(zhǎng)磨，即長(zhǎng)徑比L/D≈3的磨機(jī)筒體厚度，日本的經(jīng)驗(yàn)公式為δ=D/100+(5～10)，德國(guó)的經(jīng)驗(yàn)公式為δ=D/100～D/75。按此計(jì)算，Φ2.4m×8m磨機(jī)的筒體，最薄應(yīng)為δ=24mm。因?yàn)槠溟L(zhǎng)徑比L/D=8/2.4=3.33，比3大得較多，所以應(yīng)比24mm還要厚一些。如冀東水泥廠(chǎng)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(gè)筒體厚度為50+55+50(mm)，即分別相當(dāng)于D/90和D/81.8。寧國(guó)水泥廠(chǎng)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(dāng)D/77.6～D/71.4，中間部分的筒體比經(jīng)驗(yàn)規(guī)定的還要厚3mm。美國(guó)富樂(lè)公司為巴基斯坦設(shè)計(jì)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(dāng)于D/73.2?；春Ｋ鄰S(chǎng)Φ4.2m×13m水泥磨，L/D=3.1，筒體厚度為55+60+55(mm)，相當(dāng)于D/76.4～D/70?？墒鞘鄰S(chǎng)的Φ2.4m×8m生料磨，L/D=3.33，比3大不少，按上述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算筒體厚度起碼應(yīng)為29mm，相當(dāng)于D/82.8，可實(shí)際上卻只有18mm，相當(dāng)于D/133.3?？梢?jiàn)這臺(tái)磨機(jī)的筒體厚度是相當(dāng)單薄的。筒體單薄使端蓋受力惡化。 

　　Φ2.4m×8m磨機(jī)筒體端蓋厚度設(shè)計(jì)為45mm，比Φ2.2m×6.5m磨機(jī)筒體端蓋還薄5mm。Φ2.2m×6.5m磨機(jī)的長(zhǎng)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(jiàn)不鮮〔2〕。有的制造廠(chǎng)為解決這個(gè)問(wèn)題，自己將端蓋加厚到60mm。而Φ2.4m×8m磨機(jī)，長(zhǎng)徑比為L(zhǎng)/D=8/2.4=3.33，直徑比2.2m大200mm，可端蓋厚度卻設(shè)計(jì)為45mm，可見(jiàn)過(guò)于單薄。筒體端蓋單薄，剛度不足，應(yīng)力過(guò)高。

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

　　2.2.2  選材不當(dāng)

　　裂紋發(fā)生后，通過(guò)對(duì)筒體鋼板取樣化驗(yàn)，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(jiàn)表1。

　　這說(shuō)明，該磨機(jī)的鋼板不是制造廠(chǎng)給出的A3而是16Mn，且含碳量和含錳量都在上限或超過(guò)上限。 

表1  材料化驗(yàn)結(jié)果與規(guī)定化學(xué)成分的對(duì)比  

16Mn鋼板不宜用來(lái)制造磨機(jī)的筒體，這一點(diǎn)現(xiàn)在已取得共識(shí)〔3〕。磨機(jī)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(fù)交變應(yīng)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(qiáng)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(jī)器廠(chǎng)用FLS公司的圖紙為巴基斯坦瓦河水泥廠(chǎng)3000t/d的回轉(zhuǎn)窯和磨機(jī)進(jìn)行鋼板選材討論時(shí)，外方認(rèn)為A3鋼板的含碳量過(guò)高，不同意使用。對(duì)我方提出的16Mn和20g鋼板，認(rèn)為更不行。最后從德國(guó)進(jìn)口HI鋼板，其含碳量≤0.16%。

　　對(duì)于受疲勞應(yīng)力的磨機(jī)筒體和端蓋應(yīng)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(shí)還容易破裂。我們?cè)诔隹谖娜R國(guó)的Φ4.2m×11m磨機(jī)的筒體，由20g改為A3就節(jié)省了8萬(wàn)元左右，而且還能改善使用性能，采購(gòu)方便，施工簡(jiǎn)單。

　　由上述可見(jiàn)，Φ2.4m×8m磨機(jī)的筒體和端蓋選材不當(dāng)，對(duì)端蓋斷裂有一定的影響。

　　2.2.3  結(jié)構(gòu)不合理

　　(1)焊縫設(shè)計(jì)不合理

　　由圖1可見(jiàn)，補(bǔ)強(qiáng)板與端蓋的焊縫設(shè)計(jì)為角焊縫，焊縫高度為15mm，且焊縫表面不要求任何處理。這個(gè)焊縫應(yīng)該要求焊后加工成凹弧狀，與端蓋銜接的邊緣或車(chē)削或打磨比較光滑，這樣便可大大降低應(yīng)力集中，保證剛度漸變，提高抗疲勞能力，見(jiàn)表2和圖2。  

表2  表面光潔度和抗拉強(qiáng)度對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響 

　　(2)補(bǔ)強(qiáng)板設(shè)計(jì)不合理

　　該磨機(jī)筒體的補(bǔ)強(qiáng)板較薄，僅為15mm。補(bǔ)強(qiáng)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(xiǎn)截面。這就好像在一塊鐵板焊一根鋼絲，只要來(lái)回掰幾次，鋼絲就會(huì)從焊縫邊上斷裂一樣。如果將補(bǔ)強(qiáng)板的外圓直徑和厚度加大，使剛度向外逐漸變小，就會(huì)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(yán)重。圖紙要求焊后需要進(jìn)行退火處理，實(shí)際上由于缺乏設(shè)備，沒(méi)有滿(mǎn)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(qiáng)度顯著降低，再加上應(yīng)力高度集中，必然首先由此處斷裂。

　　裂紋發(fā)生在進(jìn)料端的端蓋上，而出料端暫時(shí)尚未出現(xiàn)裂紋。這是因?yàn)檫M(jìn)料端緊靠粗磨倉(cāng)，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(jī)筒體和端蓋斷裂都發(fā)生在前部的規(guī)律〔4〕，這個(gè)沖擊力在設(shè)計(jì)磨機(jī)筒體時(shí)是不容忽視的。因?yàn)檫@個(gè)沖擊力確定比較困難，因此在以前設(shè)計(jì)磨機(jī)筒體時(shí)均沒(méi)有考慮，今后應(yīng)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(yán)重的一點(diǎn)發(fā)生的，逐漸往里和兩邊延展。磨機(jī)筒體每轉(zhuǎn)一周，焊縫邊緣受拉壓作用一個(gè)循環(huán)。該磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為20.93r/min，從1993年11月投運(yùn)到1995年4月24日發(fā)現(xiàn)裂紋為止，按日歷時(shí)間計(jì)算約為16個(gè)月。如果運(yùn)轉(zhuǎn)率按80%計(jì)算，則實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為16×0.8=12.8個(gè)月。因此，焊縫的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為C=20.93×60×24×30×12.8=1.16×107。也就是說(shuō)恰好在107左右，這種拉壓循環(huán)，對(duì)于端蓋來(lái)說(shuō)則是彎曲循環(huán)，使裂紋逐漸擴(kuò)展，最后導(dǎo)致整個(gè)端蓋裂透，且裂紋長(zhǎng)度達(dá)1500mm之多。裂紋的發(fā)展速度是不等的，剛開(kāi)始發(fā)生時(shí)發(fā)展較慢，而后逐漸加快。對(duì)石井水泥廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，幸好發(fā)現(xiàn)及時(shí)，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(chǎng)所發(fā)生的嚴(yán)重后果。

　　磨機(jī)筒體端蓋的受力十分復(fù)雜，既受靜力作用，又受動(dòng)應(yīng)力的影響。因此，國(guó)外有的公司，如丹麥?zhǔn)访芩构疽寻磩?dòng)應(yīng)力的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。還有的國(guó)外公司利用有限元法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。筆者對(duì)此也進(jìn)行了深入詳細(xì)的分析研究，參見(jiàn)文獻(xiàn)〔5〕。這些對(duì)正確分析端蓋所產(chǎn)生的問(wèn)題，制定準(zhǔn)確的修復(fù)方案等提供了極有價(jià)值的理論依據(jù)。

　　4、磨機(jī)端蓋裂縫的修復(fù)

　　根據(jù)該磨機(jī)筒體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和存在的問(wèn)題，筆者提出三個(gè)修復(fù)方案，供廠(chǎng)家參考。

　　(1)在筒體和端蓋外側(cè)加設(shè)過(guò)渡包板和加強(qiáng)筋。 

　　(2)在端蓋內(nèi)側(cè)加設(shè)輻射加強(qiáng)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(yīng)力區(qū)加強(qiáng)程度不足。

　　(3)在中空軸法蘭、筒體和端蓋加設(shè)整體加強(qiáng)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(fù)示意圖 

　　1.磨機(jī)筒體;2.平端蓋;3.端蓋補(bǔ)強(qiáng)板;4.中空軸法蘭;5.輻射筋板;6.加固圈板 

廠(chǎng)方根據(jù)進(jìn)度要求和切割高錳鋼襯板的經(jīng)驗(yàn)，選擇了第2方案(見(jiàn)圖3)。這個(gè)方案雖然簡(jiǎn)單，修復(fù)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(fù)的要點(diǎn)是控制端蓋焊后不發(fā)生變形，具體步驟如下：

　　(1)用拉線(xiàn)法或平尺測(cè)量焊前端蓋的平度，同時(shí)檢查裂縫有無(wú)錯(cuò)位情況。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，裂縫沒(méi)有錯(cuò)位。測(cè)量時(shí)應(yīng)事先打好測(cè)位點(diǎn)的標(biāo)記，測(cè)量數(shù)據(jù)做好記錄，以便與焊后測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比。

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

　　(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(duì)稱(chēng)位置按圖紙要求用機(jī)械加工或氣刨開(kāi)成對(duì)稱(chēng)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(jìn)行焊接，焊接時(shí)應(yīng)注意以下問(wèn)題：

　　在進(jìn)行端蓋裂縫焊接時(shí)，應(yīng)對(duì)稱(chēng)、里外相間施焊(如果有條件，在焊接前最好進(jìn)行預(yù)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(yīng)選擇適合于兩種不同材料焊接的焊條;焊接時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足各種焊接要求。

　　(5)補(bǔ)強(qiáng)板與端蓋的外焊縫應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)焊成圖紙所要求的尺寸，補(bǔ)焊時(shí)也應(yīng)采用對(duì)稱(chēng)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(fù)測(cè)所有筋板端面的平度，如不符合要求應(yīng)進(jìn)行處理，直到滿(mǎn)足要求后為止。

　　(8)環(huán)形筋板上的四個(gè)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(shè)置的，因而灌完混凝土后應(yīng)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?xí)r，每個(gè)襯板螺栓都需要加一個(gè)支撐套管。

　　(10)最后緊固端襯板的固定螺栓，在緊固時(shí)應(yīng)里外配合，里敲外緊同時(shí)進(jìn)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(jìn)行。

　　5、修復(fù)結(jié)果

　　經(jīng)過(guò)五天的緊張修復(fù)，于5月3日下午空載試轉(zhuǎn)，一切良好，雖然一倉(cāng)有效長(zhǎng)度縮短60mm，但是產(chǎn)量并未降低，磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

　　從1995年5月3日至今已運(yùn)轉(zhuǎn)14個(gè)月約420天一直正常，經(jīng)多次認(rèn)真檢查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何異常現(xiàn)象。這表明對(duì)磨機(jī)筒體端蓋產(chǎn)生裂紋的分析是正確的，所采用的修復(fù)方法是可行的，雖然不及第一方案能夠保持更長(zhǎng)的使用壽命，但修復(fù)時(shí)間很短，滿(mǎn)足了生料的供應(yīng)，達(dá)到了窯不停產(chǎn)的要求，工廠(chǎng)非常滿(mǎn)意。 

　　 參考文獻(xiàn)

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