Φ2.4m×8m磨机端盖裂断原因分析及修复

　　1、引言

　　广州市石井水泥厂使用两台Φ2.4m×8m开流生料磨，于1993年11月安装完毕，然后投入生产运转。1995年4月24日发现进料端端盖与补强板外圆的焊缝开裂约1500mm长，占此圆周长的26.3%。发现时，在Φ1880mm圆上端盖钢板已裂透，最大裂缝宽度达到2mm，从磨内往外可以看见亮光。经过修复，于5月4日开磨，运转相当平稳。开磨后，已安全运转了一年多，端盖没有变形，产量没有降低，保证了生料的供应。

　　2、端盖断裂的原因分析

　　2.1  裂纹的形貌和位置

　　端盖裂纹的位置和形貌见图1。

　　裂纹发生在端盖2与补强板3焊缝的边缘Φ1880mm的圆周上，穿过10个孔距。补强板外圆直径为Φ1820mm，厚度为15mm，设计角焊缝高度为15mm。通过观察可见，焊缝表面及边缘十分粗糙，与端盖衔接部位凸凹不平，且咬肉严重，深度一般都在1.0mm左右。裂纹连续时总长约为1500mm，发现时裂缝的最大宽度达2mm，往外冒灰，即端盖整个裂透。 

图1  端盖裂纹的位置和形貌 

1.筒体;2.筒体端盖;3.补强板;4.中空轴法兰 

　　2.2  裂纹产生的原因

　　2.2.1  端盖和筒体厚度过薄

　　对中长磨，即长径比L/D≈3的磨机筒体厚度，日本的经验公式为δ=D/100+(5～10)，德国的经验公式为δ=D/100～D/75。按此计算，Φ2.4m×8m磨机的筒体，最薄应为δ=24mm。因为其长径比L/D=8/2.4=3.33，比3大得较多，所以应比24mm还要厚一些。如冀东水泥厂Φ4.5m×13.88m生料磨，L/D=3.08≈3.0，筒体厚度为δ=4500/100+5=50(mm);Φ4.5m×15.11m水泥磨，L/D=15.11/4.5=3.36，中部筒体厚度为δ=4500/100+10=55(mm)，整个筒体厚度为50+55+50(mm)，即分别相当于D/90和D/81.8。宁国水泥厂Φ4.5m×12.96m水泥磨，L/D=2.88<3.0，其筒体厚度为δ=58+63+58(mm)，相当D/77.6～D/71.4，中间部分的筒体比经验规定的还要厚3mm。美国富乐公司为巴基斯坦设计的Φ3.66m×11.28m水泥磨，L/D=11.28/3.66=3.08，其筒体厚度为δ=50mm，相当于D/73.2。淮海水泥厂Φ4.2m×13m水泥磨，L/D=3.1，筒体厚度为55+60+55(mm)，相当于D/76.4～D/70。可是石井水泥厂的Φ2.4m×8m生料磨，L/D=3.33，比3大不少，按上述经验公式计算筒体厚度起码应为29mm，相当于D/82.8，可实际上却只有18mm，相当于D/133.3。可见这台磨机的筒体厚度是相当单薄的。筒体单薄使端盖受力恶化。 

　　Φ2.4m×8m磨机筒体端盖厚度设计为45mm，比Φ2.2m×6.5m磨机筒体端盖还薄5mm。Φ2.2m×6.5m磨机的长径比L/D=6.5/2.2=2.96，筒体端盖为50mm厚，发生裂断的现象已屡见不鲜〔2〕。有的制造厂为解决这个问题，自己将端盖加厚到60mm。而Φ2.4m×8m磨机，长径比为L/D=8/2.4=3.33，直径比2.2m大200mm，可端盖厚度却设计为45mm，可见过于单薄。筒体端盖单薄，刚度不足，应力过高。

　　石井水泥厂Φ2.4m×8m生料磨的筒体和端盖过薄，是产生裂纹的根本原因和主要原因，或者说是基本原因。

　　2.2.2  选材不当

　　裂纹发生后，通过对筒体钢板取样化验，结果含锰量为1.72%，比16Mn钢板含锰量的上限值还高出0.12%，见表1。

　　这说明，该磨机的钢板不是制造厂给出的A3而是16Mn，且含碳量和含锰量都在上限或超过上限。 

表1  材料化验结果与规定化学成分的对比  

16Mn钢板不宜用来制造磨机的筒体，这一点现在已取得共识〔3〕。磨机筒体和端盖的受力状态与压力容器、桥梁和船舶等不同，它是受反复交变应力，其破坏型式均为疲劳破坏。筒体和端盖越裂越选用抗伸强度越高，也就是越硬的材料，结果事与愿违。越硬的材料，焊接性能越不好，抗疲劳和耐冲击能力越差。上海新建机器厂用FLS公司的图纸为巴基斯坦瓦河水泥厂3000t/d的回转窑和磨机进行钢板选材讨论时，外方认为A3钢板的含碳量过高，不同意使用。对我方提出的16Mn和20g钢板，认为更不行。最后从德国进口HI钢板，其含碳量≤0.16%。

　　对于受疲劳应力的磨机筒体和端盖应选用含碳量低较软的钢板材料才是正确的。选用16Mn、20g和20R钢板不仅贵约20%，使用时还容易破裂。我们在出口文莱国的Φ4.2m×11m磨机的筒体，由20g改为A3就节省了8万元左右，而且还能改善使用性能，采购方便，施工简单。

　　由上述可见，Φ2.4m×8m磨机的筒体和端盖选材不当，对端盖断裂有一定的影响。

　　2.2.3  结构不合理

　　(1)焊缝设计不合理

　　由图1可见，补强板与端盖的焊缝设计为角焊缝，焊缝高度为15mm，且焊缝表面不要求任何处理。这个焊缝应该要求焊后加工成凹弧状，与端盖衔接的边缘或车削或打磨比较光滑，这样便可大大降低应力集中，保证刚度渐变，提高抗疲劳能力，见表2和图2。  

表2  表面光洁度和抗拉强度对疲劳强度的影响 

　　(2)补强板设计不合理

　　该磨机筒体的补强板较薄，仅为15mm。补强板的外圆直径为Φ1820mm，与中空轴法兰的外圆直径Φ1780mm相比，一边只大20mm。这样，就形成了在Φ1850mm里边的刚度特别大，而在Φ1850mm外边的刚度突然减小，焊缝边缘就变成危险截面。这就好像在一块铁板焊一根钢丝，只要来回掰几次，钢丝就会从焊缝边上断裂一样。如果将补强板的外圆直径和厚度加大，使刚度向外逐渐变小，就会改善不少。

　　2.2.4  焊缝质量差                          

　　焊缝周边很不规矩，呈波浪形，且咬肉严重。图纸要求焊后需要进行退火处理，实际上由于缺乏设备，没有满足图纸要求。在焊缝两侧的热影响区域内，晶粒粗大，硬脆倾向明显，因而抗疲劳强度显著降低，再加上应力高度集中，必然首先由此处断裂。

　　裂纹发生在进料端的端盖上，而出料端暂时尚未出现裂纹。这是因为进料端紧靠粗磨仓，其内的磨球较大，提升的又较高，所以冲击力很大。这符合所有磨机筒体和端盖断裂都发生在前部的规律〔4〕，这个冲击力在设计磨机筒体时是不容忽视的。因为这个冲击力确定比较困难，因此在以前设计磨机筒体时均没有考虑，今后应该充分考虑这一因素。

　　3、裂纹的发展

　　裂纹是从端盖外表面焊缝边缘咬肉最严重的一点发生的，逐渐往里和两边延展。磨机筒体每转一周，焊缝边缘受拉压作用一个循环。该磨机的转速为20.93r/min，从1993年11月投运到1995年4月24日发现裂纹为止，按日历时间计算约为16个月。如果运转率按80%计算，则实际运转时间为16×0.8=12.8个月。因此，焊缝的应力循环次数为C=20.93×60×24×30×12.8=1.16×107。也就是说恰好在107左右，这种拉压循环，对于端盖来说则是弯曲循环，使裂纹逐渐扩展，最后导致整个端盖裂透，且裂纹长度达1500mm之多。裂纹的发展速度是不等的，刚开始发生时发展较慢，而后逐渐加快。对石井水泥厂来说，幸好发现及时，否则再转下去能够整圈裂断，出现像大同红旗和天津水泥厂所发生的严重后果。

　　磨机筒体端盖的受力十分复杂，既受静力作用，又受动应力的影响。因此，国外有的公司，如丹麦史密斯公司已按动应力的原理进行设计。还有的国外公司利用有限元法进行优化设计。笔者对此也进行了深入详细的分析研究，参见文献〔5〕。这些对正确分析端盖所产生的问题，制定准确的修复方案等提供了极有价值的理论依据。

　　4、磨机端盖裂缝的修复

　　根据该磨机筒体的结构特点和存在的问题，笔者提出三个修复方案，供厂家参考。

　　(1)在筒体和端盖外侧加设过渡包板和加强筋。 

　　(2)在端盖内侧加设辐射加强筋兼做端衬板支架，但筒体衬板需要切割掉一部分，筒体与端盖接头处的高应力区加强程度不足。

　　(3)在中空轴法兰、筒体和端盖加设整体加强筋，但中空轴一旦出事，拆卸和更换就比较困难。

图3  裂缝修复示意图 

　　1.磨机筒体;2.平端盖;3.端盖补强板;4.中空轴法兰;5.辐射筋板;6.加固圈板 

厂方根据进度要求和切割高锰钢衬板的经验，选择了第2方案(见图3)。这个方案虽然简单，修复容易，但从使用效果看是最不好的，即使如此，此处也可维持15年的使用寿命。

　　修复的要点是控制端盖焊后不发生变形，具体步骤如下：

　　(1)用拉线法或平尺测量焊前端盖的平度，同时检查裂缝有无错位情况。实测结果表明，裂缝没有错位。测量时应事先打好测位点的标记，测量数据做好记录，以便与焊后测量值进行对比。

　　(2)为了保证辐射筋板焊后在一个平面上，筋板的两侧面要求一刀加工，加固圈也应同时加工出来。

　　(3)倒球垫筒体，以免筒体和端盖在受力状态下焊接。

　　(4)在裂纹处和其对称位置按图纸要求用机械加工或气刨开成对称式的U型坡口，以控制较小的焊缝宽度，使热影响区最窄，然后进行焊接，焊接时应注意以下问题：

　　在进行端盖裂缝焊接时，应对称、里外相间施焊(如果有条件，在焊接前最好进行预热到150～200℃);选用好的焊工，能够将夹渣吹出，焊透，以保证焊接质量;筋板用A3钢板加工而成，所以应选择适合于两种不同材料焊接的焊条;焊接时应满足各种焊接要求。

　　(5)补强板与端盖的外焊缝应进行补焊成图纸所要求的尺寸，补焊时也应采用对称施焊的办法，然后用砂轮打磨光洁。

　　(6)检查筒体与端盖接头处的内外焊缝，内焊缝边缘用砂轮打磨光滑。

　　(7)焊接打磨完毕，检查复测所有筋板端面的平度，如不符合要求应进行处理，直到满足要求后为止。

　　(8)环形筋板上的四个孔是为端衬板固定后与端盖所形成的空腔内浇灌混凝土而设置的，因而灌完混凝土后应用相同大小和形状的钢板焊死。

　　(9)为使端衬板拆装方便，在打混凝土时，每个衬板螺栓都需要加一个支撑套管。

　　(10)最后紧固端衬板的固定螺栓，在紧固时应里外配合，里敲外紧同时进行。

　　(11)将切割后的边缘一圈筒体衬板装上，衬板螺栓的紧固按第10条的要求进行。

　　5、修复结果

　　经过五天的紧张修复，于5月3日下午空载试转，一切良好，虽然一仓有效长度缩短60mm，但是产量并未降低，磨机运转平稳。

　　从1995年5月3日至今已运转14个月约420天一直正常，经多次认真检查，没有发现任何异常现象。这表明对磨机筒体端盖产生裂纹的分析是正确的，所采用的修复方法是可行的，虽然不及第一方案能够保持更长的使用寿命，但修复时间很短，满足了生料的供应，达到了窑不停产的要求，工厂非常满意。 

　　 参考文献

　　1　K.Cramer.Reparatur　einer　Mühlenstirnwand，ZKG，1987，(7)
　　2  江旭昌.再谈管磨机筒体厚度的确定.管磨机文集.国家建材局技术情报研究所.1992
　　3  江旭昌.管磨机筒体钢板正确选材的探讨.水泥，1995，(5)
　　4  江旭昌.管磨机筒体厚度的确定.水泥技术，1987，(4、5)
　　5  江旭昌.磨机筒体平端盖的理论分析与计算.管磨机文集.国家建材局技术情报研究所.1992