造紙烘缸爆炸失效機(jī)理淺析
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本文作者：朱振飛 單位：江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院淮安分院
2009年10月30日凌晨4時(shí)，我市某造紙企業(yè)造紙車間1092型三缸雙網(wǎng)造紙機(jī)在運(yùn)行中1#缸發(fā)生爆炸，缸體從齒輪傳動(dòng)側(cè)周向斷裂，炸成兩段，大段落在機(jī)位左側(cè)三米處，小段落在機(jī)位右側(cè)兩米處，造紙機(jī)架被炸塌。
（1）烘缸概況
1092型三缸雙網(wǎng)造紙機(jī)1#烘缸，系河南省焦作市泌陽縣某機(jī)械廠制造，主要尺寸為1500×1350mm，無銘牌標(biāo)志，無任何技術(shù)資料，制造年代不明。2005年投入運(yùn)行，使用工作壓力為0.4MPa，斷續(xù)使用，累計(jì)使用時(shí)間不足4年。
（2）事故經(jīng)過
2009年10月30日凌晨，操作人員交接班后，造紙機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，鍋爐使用工作壓力為0.5MPa，烘缸壓力表指示在0.4MPa，生產(chǎn)出1.5噸紙。凌晨4時(shí)許，機(jī)身突然震動(dòng)，隨即1#缸發(fā)生爆炸。
（3）端口宏觀外貌
烘缸破裂斷口，位于筒體與法蘭聯(lián)接的轉(zhuǎn)角處，也是內(nèi)壁切削加工的交接線處。此處車削加工質(zhì)量粗劣，在轉(zhuǎn)角斷裂處靠近缸盆一側(cè)的內(nèi)壁上還堆積著型砂，留有尖角，并未按要求圓弧過渡；在缸體周向內(nèi)側(cè)的斷口上有十分明顯的宏觀裂紋。缸體壁厚為25～32mm，而宏觀裂紋的深度即達(dá)11～15mm，長度達(dá)2.38mm，為缸體周長的一半以上；且裂紋表面因氧化嚴(yán)重而呈暗黑色。整個(gè)斷面目視組織疏松，晶粒十分粗大，用手即可剝落；斷口半周平齊，半周有參差不齊的臺(tái)階。
2烘缸爆炸失效機(jī)理的分析
（1）理化檢驗(yàn)和金相分析
從爆炸的缸體上切取300×300mm實(shí)物一塊做理化檢驗(yàn)和金相分析，其結(jié)果，如表1和表2。從表1可見、Mn含量偏低，其含量低于各種牌號(hào)的灰鑄鐵規(guī)定值，P偏高，其余尚屬正常。兩相對(duì)照，缸體實(shí)物取樣的實(shí)測(cè)值，抗拉強(qiáng)度僅為規(guī)定值下限的55%，硬度（HB）為下限值的68%。金相組織中，片狀石墨粗大，長度>250～500μm，（正常值為100～200μm），分布較均勻；基體中珠光體呈中等片狀，間距>10～20μm，數(shù)量<65%～55%，鐵素體35%～45%，二元磷共晶呈孤立狀分布，數(shù)量為2%，碳化物塊狀分布，數(shù)量為3%。
（2）失效機(jī)理剖析
從理化檢驗(yàn)和金相分析的結(jié)果，可以確定該缸體材質(zhì)為灰鑄鐵。
根據(jù)冶金學(xué)原理，灰鑄鐵的基體組織一般分為：珠光體灰鑄鐵，金相組織為珠光體+石墨，只有0.8%的碳處于化合態(tài)（Fe3C），其余均為自由態(tài)（石墨）；鐵素體-珠光體灰鑄鐵，化合態(tài)的碳含量低于0.8%；鐵素體灰鑄鐵，碳全部以石墨形式出現(xiàn)（自由態(tài)）。要想得到細(xì)化的小尺寸片狀石墨和細(xì)小而均布的珠光體基體，關(guān)鍵在于嚴(yán)格控制化學(xué)成份和澆鑄溫度；在化學(xué)成份一定時(shí)，石墨化程度取決于冷卻速度，冷卻的慢，析出的自由碳就多。對(duì)于這只爆炸的烘缸，從缸體材質(zhì)的石墨數(shù)量，形狀和尺寸，以及機(jī)械性能來看，該材質(zhì)是屬于HT100的牌號(hào)，是灰鑄鐵中最低的牌號(hào)，不能滿足造紙烘缸工作條件的要求。
現(xiàn)在根據(jù)表1和表2，來剖析一下該烘缸的失效機(jī)理：粗大片狀石墨的成因。①鑄鐵的熔化溫度在1130℃～1135℃，在澆鑄前鐵水要過熱，澆鑄溫度應(yīng)該在1250℃～1400℃范圍內(nèi)，澆入鑄型的鐵水，在冷卻到1135℃～1130℃的溫度條件下，奧氏體-石墨的混合物，可自液體內(nèi)結(jié)晶而出；當(dāng)然形成石墨晶核、碳原子的擴(kuò)散、成長為石墨晶體，這是一個(gè)很慢的過程，也需要能量。在鑄型中，從共晶溫度緩慢冷卻至共析溫度，奧氏體中也要析出過剩的碳；另外因?yàn)闈B碳體（Fe3C）是不穩(wěn)定的，在適當(dāng)?shù)臏囟葪l件下，會(huì)發(fā)生分解，碳游離出來。這些碳原子就會(huì)向穩(wěn)定的石墨晶體擴(kuò)散、集結(jié)，導(dǎo)致石墨晶體的長大。②是錳偏低、磷偏高的影響、促進(jìn)了石墨化的進(jìn)程。
粗大的片狀石墨，嚴(yán)重地割裂烘缸基體。軟而脆的片狀石墨，在金屬基體中，起著空洞、裂縫和尖銳缺口的作用，割裂了基體的連續(xù)性。片狀石墨越多、體積越大、尺寸越長，對(duì)金屬基體的割裂越嚴(yán)重，尤其是片狀石墨形成封閉的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，影響更大。片狀石墨的邊緣比較尖銳，其兩端易形成破裂源，當(dāng)有應(yīng)力存在時(shí)，會(huì)造成應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力值達(dá)到某一數(shù)量級(jí)時(shí)，體心立方晶格的鑄鐵材料，就會(huì)沿著（100）面脆性破裂失效。從缸體金相組織來看，粗大的片狀石墨，有部分已構(gòu)成近似封閉的網(wǎng)絡(luò)，所以1#缸體很容易破裂失效。
缸體鑄造時(shí)的冷凝收縮應(yīng)力，導(dǎo)致鑄造裂紋的產(chǎn)生。鑄件冷卻時(shí)體積要收縮，灰鑄鐵的線收縮量平均為1%～1.3%，冷卻越快，形狀越復(fù)雜、尺寸越大、產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力就越大，當(dāng)型與制型材料柔性不足時(shí)，某一退讓性，收縮受阻，就會(huì)產(chǎn)生鑄造裂紋。所以大鑄件在溫度不低于700℃、鐵碳合金剛停止組織變化時(shí)，不應(yīng)裸露在熱砂之外。
基于對(duì)上述機(jī)理的剖析，可以認(rèn)定：1#烘缸的失效，主要是由于鑄造裂紋在使用中的擴(kuò)展，這是因?yàn)椋汉娓讛嗔训牟课?，是在?nèi)壁與法蘭聯(lián)接的轉(zhuǎn)角處，正是厚薄不勻兩部分的結(jié)合線；此處形狀突變，缸體內(nèi)壁又不是圓弧過渡而近似直角，在鑄件凝固收縮時(shí)，遇到較大的阻礙，產(chǎn)生收縮應(yīng)力。此厚薄不勻的結(jié)合帶，就成為應(yīng)力集中最敏感的區(qū)域，逐漸材質(zhì)內(nèi)部有粗大片狀石墨尖劈的割裂，外表面有不圓弧過渡的近似直角的缺口，內(nèi)外應(yīng)力集中疊加，因而產(chǎn)生十分粗大的宏觀裂紋。裂紋斷面收到嚴(yán)重氧化而具有暗黑色的特征，因而可以斷定，此種鑄造裂紋是屬于熱裂紋，發(fā)生在723℃以前。
此外，制造加工質(zhì)量低劣，對(duì)鑄造裂紋的擴(kuò)展，也有很大影響。該烘缸在斷口部位內(nèi)壁，有很多型砂粘在缸壁上，車制加工未加工到，在此一帶不僅留下尖角，加大了應(yīng)力集中，而且對(duì)存在的鑄造缺陷也無法檢查出來。
3結(jié)束語
這起烘缸爆炸事故，突出地反映了制造質(zhì)量問題。要想獲得合乎標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求的珠光體灰鑄鐵烘缸，則必須嚴(yán)格控制化學(xué)成分，澆鑄工藝和車制加工的質(zhì)量。保證投入運(yùn)行的烘缸無“先天性”缺陷。當(dāng)然要確保安全生產(chǎn)，更要加強(qiáng)使用中的安全管理和實(shí)行定期檢驗(yàn)制度，才能有效地防止事故發(fā)生。
