水泥回轉窯筒體檢測及開裂機理探討

劉新平*

（福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院龍巖分院）

0 引言

回轉窯是水泥生產工藝的重要工藝，廣泛應用于煅燒石灰、烘干礦渣、冶煉金屬等。筒體是回轉窯的關鍵部件，是由多段不同壁厚的筒體焊接而成。對以往事故進行分析后可知，采用不當的安裝方法、不正確的操作以及錯誤的檢修方法，均可能導致筒體鋼板產生裂紋，且隨著時間推移逐漸開裂，最終產生嚴重后果。

據文獻[1-3]研究可知，筒體開裂主要是由腐蝕引起的，在縫隙腐蝕、應力腐蝕開裂和腐蝕疲勞相互作用下，筒體發生開裂。研究者指出，筒體輪帶表面接觸疲勞開裂是由于高硬度的偏析成分成為裂紋源，在疲勞載荷作用下，發生疲勞開裂[4-6]。與此同時，筒體工作應力過大，筒體溫度應力過高，筒體結構焊接時引起的殘余應力和拘束應力分布不均勻也是筒體開裂的重要原因[6]?；剞D窯在擋磚圈附近也會出現裂紋，這是擋磚圈焊接殘余應力和筒體受物料沖刷減薄、強度下降共同作用的結果[7]。筒體開裂的原因涉及材料選用、設計、制造、安裝和生產維護等方面，也有研究認為，回轉窯中心線超出偏差，在過渡帶加劇交變應力集中程度，且過渡帶窯皮保護較脆弱，物料透過磚縫腐蝕筒體，致使筒體減薄，在二者共同作用下，回轉窯筒體加速開裂[8-10]。

為進一步探究水泥回轉窯筒體開裂機理，本研究選取數家水泥廠，采用壁厚測定、磁粉檢測、硬度檢測、超聲檢測等無損檢測方法，以及金相檢測和物料分析方法，對這些水泥廠的回轉窯筒體進行檢測，分析筒體的開裂機理，并提出針對性預防與保護措施。

1 設備概況

多數水泥回轉窯會協同摻燒其他污染物質，如生活垃圾、危險廢物等。水泥廠的生產工藝不同，摻燒方式也不同，回轉窯筒體的運行情況也各異。對a、b、c、d、e 共5 家水泥廠的回轉窯筒體進行調研分析后發現：（1）a、b 廠水泥回轉窯未摻燒運行，未發現回轉旋窯筒體開裂；（2） c 廠水泥回轉窯摻燒垃圾，進行垃圾協同處置，垃圾中含一定量氯離子，運行一段時間后，回轉旋窯筒體出現裂紋；（3） d 廠水泥回轉窯摻燒鋁粉，鋁粉中的氯離子含量較高，一次停機檢修后開機運行，在啟動過程中回轉窯筒體出現開裂；（4）e 廠水泥回轉窯筒體焊接質量不佳，焊接咬邊較大，存在應力集中現象，在運行過程中，焊接接頭處出現開裂。圖1 顯示了c 廠和d 廠水泥回轉窯筒體開裂情況，c 廠回轉窯筒體呈環向開裂，d 廠回轉窯筒體呈縱向開裂。

圖1 水泥回轉窯筒體開裂情況

對5 家水泥廠回轉窯筒體概況進行分析后可知，十分有必要開展相應的檢測，厘清回轉窯筒體薄弱部位，并持續跟蹤監測，找出回轉窯缺陷，同時提出預防措施。

2 檢測分析

為了分析筒體的開裂機理，本文對a、b、c、d、e 5 家廠水泥回轉窯筒體進行壁厚測定、磁粉檢測、金相檢測、硬度檢測和超聲檢測，并對筒體內物料進行了分析。

2.1 壁厚測定

水泥回轉窯壁厚測定位置為筒節兩側靠焊接接頭100 mm 處截面及筒節中心截面，每個截面測定6個點，每個點周向間隔60°，如圖2 所示，筒節過渡部位為必測部位。并將壁厚減薄達到20%的檢測點標記為局部減薄部位，當測定截面上所有壁厚檢測點減薄程度達到20%時，將該截面標記為全面減薄部位。壁厚測定旨在找出設備局部減薄部位及全面減薄部位。

圖2 壁厚測定測點布置（單位：mm）

通過對a、b、c、d、e 5 個水泥廠回轉窯筒體進行壁厚測定后發現，筒體減薄程度為15%～35%，其中e 廠筒體減薄量最大，最大減薄處出現在回轉窯筒體過渡部位，具有較大的潛在開裂危險。推測原因可知，過渡帶是水泥窯窯皮薄弱部位，水泥回轉窯失去窯皮的保護后，回轉窯熱負荷過高，熱面層基質就會在高溫下熔化并向冷面層方向遷移，使磚襯冷面層致密化，熱面層則疏松多孔，從而使水泥回轉窯不耐磨刷、沖擊及震動，在熱疲勞作用下，最終發生損傷破壞。

2.2 磁粉檢測

磁粉檢測在壁厚測定后進行，檢測范圍含筒節間環向焊接接頭、筒節縱向焊接接頭及局部減薄部位，用以檢測筒體表面裂紋缺陷，對裂紋缺陷指示長度達到1 mm 的部位標記為有表面缺陷的部位。磁粉檢測旨在檢測筒節間環向焊接接頭、筒節縱向焊接接頭及局部減薄部位的缺陷，找到有表面缺陷的部位。

本次針對a、b、c、d、e 廠回轉窯筒體進行磁粉檢測，發現5 家水泥廠回轉窯筒節間環向焊接接頭、筒節縱向焊接接頭及筒體上尤其是筒節過渡部位均有不同長度的裂紋缺陷。a、b 廠筒體裂紋小于1 mm，可現場打磨消除；c、d、e 廠筒體裂紋均遠大于1 mm，無法打磨消除，e 廠回轉窯筒體裂紋長度甚至達到5 m，該裂紋從筒體過渡帶起裂，穿過多道環向焊接接頭延伸，呈環向和縱向開裂，如圖3 所示。

圖3 e廠回轉窯筒體裂紋情況（單位：mm）

2.3 金相檢測

現場金相檢測在磁粉檢測后進行，檢測范圍應包含局部減薄部位及有表面缺陷的部位，用來觀察筒體材料微觀組織的變化情況，將微觀組織發生球化或石墨化率達到30%的部位標記為材質劣化部位?，F場金相檢測在磁粉檢測后進行，旨在檢測局部壁厚減薄部位及有表面缺陷的部位的微觀組織變化，找出材質劣化部位。

本次針對a、b、c、d、e 廠回轉窯筒體進行金相檢測，發現c、d、e 廠筒體焊接接頭及筒體過渡帶均出現材質劣化現象。圖4 a）和圖4 b）顯示了c 廠和d 廠水泥回轉窯筒體材料金相圖，由圖4 可見，筒體材料已出現球化。對e 廠回轉窯筒體裂紋尖端進行金相分析，如圖5 所示，裂紋尖端呈分枝狀，為穿晶裂紋，脆性開裂，為典型的應力腐蝕開裂裂紋。

圖4 回轉窯筒體金相圖

圖5 e廠回轉窯筒體裂紋尖端金相圖

2.4 硬度檢測

硬度檢測在現場金相檢測后進行，檢測范圍含金相檢測被標記為材質劣化的部位，從而檢測材料硬度是否處于標準使用范圍。

本次對經金相檢測存在材質劣化的c、d、e 廠回轉窯筒體進行硬度檢測，發現金相檢測異常部位基本出現在筒體過渡帶，最低硬度平均值僅有90 HB，遠低于水泥回轉窯筒體材料Q235C 的硬度值（140～160 HB）。經分析，由于過渡帶受耐火磚保護較薄弱，容易出現局部過熱現象，在應力作用下，加劇材質劣化。

2.5 超聲檢測

超聲檢測在現場金相檢測后進行，檢測范圍含筒節間環向焊接接頭、筒節縱向焊接接頭、局部減薄部位及材質劣化部位，對檢測時儀器反射波幅在判廢線及以上的部位標記為有埋藏缺陷的部位。超聲檢測旨在檢測筒節間環向焊接接頭、筒節縱向焊接接頭、局部減薄部位及材質劣化部位的埋藏缺陷。

通過對5 家水泥廠回轉窯筒體進行超聲檢測后發現，c、d、e 廠筒節間環向焊接接頭、筒節縱向焊接接頭及筒節過渡部位均存在埋藏缺陷，缺陷深度為8 ～13 mm，這些埋藏缺陷主要在生產和制造過程中產生，并隨著回轉窯筒體的運行發展成為缺陷源頭。

2.6 物料分析

水泥回轉窯經常摻燒其他物質，用來提高回轉窯內熱值，然而這些摻燒物質成分復雜，故需要分析這些物料的組分，探究摻燒物料對回轉窯筒體的影響。

c、d、e 廠水泥回轉窯均有摻燒運行，摻燒物含工業廢棄物、破布、醫療廢物、農業藥物、木材防腐劑、有機溶劑、氰化物、礦物油、蒸餾殘渣、涂料、有機樹脂類、感光材料、含酮廢物等，這些廢物經過發酵、破碎后一同摻燒。檢測數據顯示，摻燒廢物后的物料中，氯離子質量分數可達到0.05%，硫質量分數可達0.6%，甚至更高。在摻燒狀態下，由于物料中含氯離子、氟離子及硫離子等物質，回轉窯筒體腐蝕加劇，在應力和高溫作用下，易出現應力腐蝕裂紋，繼而產生應力腐蝕開裂。

3 開裂機理分析

水泥回轉窯工作環境復雜，在腐蝕性介質和高溫環境下，回轉窯筒體易發生開裂，因此十分有必要探究水泥回轉窯筒體的開裂機理。

3.1 腐蝕作用

水泥回轉窯使用的燃料主要是煤炭，且很多回轉窯會協同處理生活垃圾及工業固廢，燃料燃燒后釋放出大量的硫化物、氮氧化物、氯化物、氟化物等氣相腐蝕介質；水泥回轉窯在燒制熟料過程中，常在石灰質礦石、黏土質等原料中添加一定量的工業廢渣，工業廢渣成分復雜，在高溫下腐蝕性加劇。氯化物是水泥回轉窯筒體內壁最重要的腐蝕性物質，是產生應力腐蝕的關鍵，氯離子易引起回轉窯筒體點蝕，點蝕可深入到金屬內部，引起腐蝕穿孔，形成裂紋源，在應力作用下，裂紋不斷擴展，導致筒體開裂。故控制摻燒物及原料含腐蝕介質含量很關鍵。

回轉窯內壁在磨擦、腐蝕、黏附等因素下，表面會產生一些污垢，引發電化學腐蝕，并與點蝕相互促進；回轉窯筒體內壁在高溫條件下，也會發生高溫腐蝕，如高溫氧化腐蝕、高溫氯化物腐蝕和高溫硫化物腐蝕；除此之外，回轉窯筒體還可能存在磨擦腐蝕、疲勞腐蝕、冷熱交替引起的應力腐蝕等。

3.2 溫度的影響

回轉窯筒體內壁溫度是影響其性能的重要指標，通常將該溫度控制在300～330 ℃?；剞D窯筒體內壁溫度不同，腐蝕介質的活躍度也不同，對回轉窯筒體內壁腐蝕速率也不同，回轉窯筒體內壁溫度越高，腐蝕速率越大；回轉窯筒體內壁溫度也是影響回轉窯筒體力學性能關鍵因素，若回轉窯筒體內壁超溫，會影響材料的微觀組織性能，長期超溫運行，會降低材料強度，縮短筒體的使用壽命。因此，需加強對回轉窯筒體的溫度監控。

4 預防措施與建議

水泥廠通常連續運行，非特殊情況則停機時間短，進入回轉窯內部檢修的情況更少。因此，對水泥廠日常運行參數進行監測顯得很重要，可以提前預估風險、預防事故、做到及時止損。

（1） 嚴格控制含氯、含氟及含硫摻燒物的投放量，將氯離子、氟離子和硫化物等控制在一定水平以下，降低對回轉窯使用壽命的影響。

（2） 實時監測回轉窯外壁熱輻射情況，對熱輻射異常部位進行跟蹤標記，短時停機檢修時，采用壁厚測定、磁粉檢測、金相檢測、硬度檢測、超聲檢測等重點檢測熱輻射異常部位，推斷耐火磚的完好情況。

（3） 在安裝及維修時，嚴格控制焊接質量，減少焊接應力集中程度。焊接后，對焊接接頭進行射線、超聲及磁粉等無損檢測，發現超標的焊接缺陷應及時消除。

（4） 嚴格把控生產管理，保證產品的均勻性，使作用于筒體的載荷保持穩定，減少脈沖載荷，防止偏載，降低疲勞裂紋的形成和擴展的可能性。

5 結語

通過對水泥回轉窯筒體進行壁厚測定、磁粉檢測、金相檢測、硬度檢測、超聲檢測及物料分析可知，筒節間環向焊接接頭、筒節縱向焊接接頭及筒節過渡部位是筒體薄弱部位，回轉窯在摻燒運行時出現缺陷概率較高。腐蝕性介質和高溫是引起回轉窯筒體開裂的關鍵因素，在腐蝕性介質、高溫和應力作用下，筒體易出現開裂。