水泥回转窑筒体检测及开裂机理探讨

刘新平*

（福建省锅炉压力容器检验研究院龙岩分院）

0 引言

回转窑是水泥生产工艺的重要工艺，广泛应用于煅烧石灰、烘干矿渣、冶炼金属等。筒体是回转窑的关键部件，是由多段不同壁厚的筒体焊接而成。对以往事故进行分析后可知，采用不当的安装方法、不正确的操作以及错误的检修方法，均可能导致筒体钢板产生裂纹，且随着时间推移逐渐开裂，最终产生严重后果。

据文献[1-3]研究可知，筒体开裂主要是由腐蚀引起的，在缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂和腐蚀疲劳相互作用下，筒体发生开裂。研究者指出，筒体轮带表面接触疲劳开裂是由于高硬度的偏析成分成为裂纹源，在疲劳载荷作用下，发生疲劳开裂[4-6]。与此同时，筒体工作应力过大，筒体温度应力过高，筒体结构焊接时引起的残余应力和拘束应力分布不均匀也是筒体开裂的重要原因[6]。回转窑在挡砖圈附近也会出现裂纹，这是挡砖圈焊接残余应力和筒体受物料冲刷减薄、强度下降共同作用的结果[7]。筒体开裂的原因涉及材料选用、设计、制造、安装和生产维护等方面，也有研究认为，回转窑中心线超出偏差，在过渡带加剧交变应力集中程度，且过渡带窑皮保护较脆弱，物料透过砖缝腐蚀筒体，致使筒体减薄，在二者共同作用下，回转窑筒体加速开裂[8-10]。

为进一步探究水泥回转窑筒体开裂机理，本研究选取数家水泥厂，采用壁厚测定、磁粉检测、硬度检测、超声检测等无损检测方法，以及金相检测和物料分析方法，对这些水泥厂的回转窑筒体进行检测，分析筒体的开裂机理，并提出针对性预防与保护措施。

1 设备概况

多数水泥回转窑会协同掺烧其他污染物质，如生活垃圾、危险废物等。水泥厂的生产工艺不同，掺烧方式也不同，回转窑筒体的运行情况也各异。对a、b、c、d、e 共5 家水泥厂的回转窑筒体进行调研分析后发现：（1）a、b 厂水泥回转窑未掺烧运行，未发现回转旋窑筒体开裂；（2） c 厂水泥回转窑掺烧垃圾，进行垃圾协同处置，垃圾中含一定量氯离子，运行一段时间后，回转旋窑筒体出现裂纹；（3） d 厂水泥回转窑掺烧铝粉，铝粉中的氯离子含量较高，一次停机检修后开机运行，在启动过程中回转窑筒体出现开裂；（4）e 厂水泥回转窑筒体焊接质量不佳，焊接咬边较大，存在应力集中现象，在运行过程中，焊接接头处出现开裂。图1 显示了c 厂和d 厂水泥回转窑筒体开裂情况，c 厂回转窑筒体呈环向开裂，d 厂回转窑筒体呈纵向开裂。

图1 水泥回转窑筒体开裂情况

对5 家水泥厂回转窑筒体概况进行分析后可知，十分有必要开展相应的检测，厘清回转窑筒体薄弱部位，并持续跟踪监测，找出回转窑缺陷，同时提出预防措施。

2 检测分析

为了分析筒体的开裂机理，本文对a、b、c、d、e 5 家厂水泥回转窑筒体进行壁厚测定、磁粉检测、金相检测、硬度检测和超声检测，并对筒体内物料进行了分析。

2.1 壁厚测定

水泥回转窑壁厚测定位置为筒节两侧靠焊接接头100 mm 处截面及筒节中心截面，每个截面测定6个点，每个点周向间隔60°，如图2 所示，筒节过渡部位为必测部位。并将壁厚减薄达到20%的检测点标记为局部减薄部位，当测定截面上所有壁厚检测点减薄程度达到20%时，将该截面标记为全面减薄部位。壁厚测定旨在找出设备局部减薄部位及全面减薄部位。

图2 壁厚测定测点布置（单位：mm）

通过对a、b、c、d、e 5 个水泥厂回转窑筒体进行壁厚测定后发现，筒体减薄程度为15%～35%，其中e 厂筒体减薄量最大，最大减薄处出现在回转窑筒体过渡部位，具有较大的潜在开裂危险。推测原因可知，过渡带是水泥窑窑皮薄弱部位，水泥回转窑失去窑皮的保护后，回转窑热负荷过高，热面层基质就会在高温下熔化并向冷面层方向迁移，使砖衬冷面层致密化，热面层则疏松多孔，从而使水泥回转窑不耐磨刷、冲击及震动，在热疲劳作用下，最终发生损伤破坏。

2.2 磁粉检测

磁粉检测在壁厚测定后进行，检测范围含筒节间环向焊接接头、筒节纵向焊接接头及局部减薄部位，用以检测筒体表面裂纹缺陷，对裂纹缺陷指示长度达到1 mm 的部位标记为有表面缺陷的部位。磁粉检测旨在检测筒节间环向焊接接头、筒节纵向焊接接头及局部减薄部位的缺陷，找到有表面缺陷的部位。

本次针对a、b、c、d、e 厂回转窑筒体进行磁粉检测，发现5 家水泥厂回转窑筒节间环向焊接接头、筒节纵向焊接接头及筒体上尤其是筒节过渡部位均有不同长度的裂纹缺陷。a、b 厂筒体裂纹小于1 mm，可现场打磨消除；c、d、e 厂筒体裂纹均远大于1 mm，无法打磨消除，e 厂回转窑筒体裂纹长度甚至达到5 m，该裂纹从筒体过渡带起裂，穿过多道环向焊接接头延伸，呈环向和纵向开裂，如图3 所示。

图3 e厂回转窑筒体裂纹情况（单位：mm）

2.3 金相检测

现场金相检测在磁粉检测后进行，检测范围应包含局部减薄部位及有表面缺陷的部位，用来观察筒体材料微观组织的变化情况，将微观组织发生球化或石墨化率达到30%的部位标记为材质劣化部位。现场金相检测在磁粉检测后进行，旨在检测局部壁厚减薄部位及有表面缺陷的部位的微观组织变化，找出材质劣化部位。

本次针对a、b、c、d、e 厂回转窑筒体进行金相检测，发现c、d、e 厂筒体焊接接头及筒体过渡带均出现材质劣化现象。图4 a）和图4 b）显示了c 厂和d 厂水泥回转窑筒体材料金相图，由图4 可见，筒体材料已出现球化。对e 厂回转窑筒体裂纹尖端进行金相分析，如图5 所示，裂纹尖端呈分枝状，为穿晶裂纹，脆性开裂，为典型的应力腐蚀开裂裂纹。

图4 回转窑筒体金相图

图5 e厂回转窑筒体裂纹尖端金相图

2.4 硬度检测

硬度检测在现场金相检测后进行，检测范围含金相检测被标记为材质劣化的部位，从而检测材料硬度是否处于标准使用范围。

本次对经金相检测存在材质劣化的c、d、e 厂回转窑筒体进行硬度检测，发现金相检测异常部位基本出现在筒体过渡带，最低硬度平均值仅有90 HB，远低于水泥回转窑筒体材料Q235C 的硬度值（140～160 HB）。经分析，由于过渡带受耐火砖保护较薄弱，容易出现局部过热现象，在应力作用下，加剧材质劣化。

2.5 超声检测

超声检测在现场金相检测后进行，检测范围含筒节间环向焊接接头、筒节纵向焊接接头、局部减薄部位及材质劣化部位，对检测时仪器反射波幅在判废线及以上的部位标记为有埋藏缺陷的部位。超声检测旨在检测筒节间环向焊接接头、筒节纵向焊接接头、局部减薄部位及材质劣化部位的埋藏缺陷。

通过对5 家水泥厂回转窑筒体进行超声检测后发现，c、d、e 厂筒节间环向焊接接头、筒节纵向焊接接头及筒节过渡部位均存在埋藏缺陷，缺陷深度为8 ～13 mm，这些埋藏缺陷主要在生产和制造过程中产生，并随着回转窑筒体的运行发展成为缺陷源头。

2.6 物料分析

水泥回转窑经常掺烧其他物质，用来提高回转窑内热值，然而这些掺烧物质成分复杂，故需要分析这些物料的组分，探究掺烧物料对回转窑筒体的影响。

c、d、e 厂水泥回转窑均有掺烧运行，掺烧物含工业废弃物、破布、医疗废物、农业药物、木材防腐剂、有机溶剂、氰化物、矿物油、蒸馏残渣、涂料、有机树脂类、感光材料、含酮废物等，这些废物经过发酵、破碎后一同掺烧。检测数据显示，掺烧废物后的物料中，氯离子质量分数可达到0.05%，硫质量分数可达0.6%，甚至更高。在掺烧状态下，由于物料中含氯离子、氟离子及硫离子等物质，回转窑筒体腐蚀加剧，在应力和高温作用下，易出现应力腐蚀裂纹，继而产生应力腐蚀开裂。

3 开裂机理分析

水泥回转窑工作环境复杂，在腐蚀性介质和高温环境下，回转窑筒体易发生开裂，因此十分有必要探究水泥回转窑筒体的开裂机理。

3.1 腐蚀作用

水泥回转窑使用的燃料主要是煤炭，且很多回转窑会协同处理生活垃圾及工业固废，燃料燃烧后释放出大量的硫化物、氮氧化物、氯化物、氟化物等气相腐蚀介质；水泥回转窑在烧制熟料过程中，常在石灰质矿石、黏土质等原料中添加一定量的工业废渣，工业废渣成分复杂，在高温下腐蚀性加剧。氯化物是水泥回转窑筒体内壁最重要的腐蚀性物质，是产生应力腐蚀的关键，氯离子易引起回转窑筒体点蚀，点蚀可深入到金属内部，引起腐蚀穿孔，形成裂纹源，在应力作用下，裂纹不断扩展，导致筒体开裂。故控制掺烧物及原料含腐蚀介质含量很关键。

回转窑内壁在磨擦、腐蚀、黏附等因素下，表面会产生一些污垢，引发电化学腐蚀，并与点蚀相互促进；回转窑筒体内壁在高温条件下，也会发生高温腐蚀，如高温氧化腐蚀、高温氯化物腐蚀和高温硫化物腐蚀；除此之外，回转窑筒体还可能存在磨擦腐蚀、疲劳腐蚀、冷热交替引起的应力腐蚀等。

3.2 温度的影响

回转窑筒体内壁温度是影响其性能的重要指标，通常将该温度控制在300～330 ℃。回转窑筒体内壁温度不同，腐蚀介质的活跃度也不同，对回转窑筒体内壁腐蚀速率也不同，回转窑筒体内壁温度越高，腐蚀速率越大；回转窑筒体内壁温度也是影响回转窑筒体力学性能关键因素，若回转窑筒体内壁超温，会影响材料的微观组织性能，长期超温运行，会降低材料强度，缩短筒体的使用寿命。因此，需加强对回转窑筒体的温度监控。

4 预防措施与建议

水泥厂通常连续运行，非特殊情况则停机时间短，进入回转窑内部检修的情况更少。因此，对水泥厂日常运行参数进行监测显得很重要，可以提前预估风险、预防事故、做到及时止损。

（1） 严格控制含氯、含氟及含硫掺烧物的投放量，将氯离子、氟离子和硫化物等控制在一定水平以下，降低对回转窑使用寿命的影响。

（2） 实时监测回转窑外壁热辐射情况，对热辐射异常部位进行跟踪标记，短时停机检修时，采用壁厚测定、磁粉检测、金相检测、硬度检测、超声检测等重点检测热辐射异常部位，推断耐火砖的完好情况。

（3） 在安装及维修时，严格控制焊接质量，减少焊接应力集中程度。焊接后，对焊接接头进行射线、超声及磁粉等无损检测，发现超标的焊接缺陷应及时消除。

（4） 严格把控生产管理，保证产品的均匀性，使作用于筒体的载荷保持稳定，减少脉冲载荷，防止偏载，降低疲劳裂纹的形成和扩展的可能性。

5 结语

通过对水泥回转窑筒体进行壁厚测定、磁粉检测、金相检测、硬度检测、超声检测及物料分析可知，筒节间环向焊接接头、筒节纵向焊接接头及筒节过渡部位是筒体薄弱部位，回转窑在掺烧运行时出现缺陷概率较高。腐蚀性介质和高温是引起回转窑筒体开裂的关键因素，在腐蚀性介质、高温和应力作用下，筒体易出现开裂。