Аннотация: на основе изучения технической документации отечественных и зарубежных предприятий-изготовителей сушильных цилиндров, государственных стандартов, касающихся крепежных элементов, а также архивных материалов по экспертизе в статье изложены причины разрушения резьбовых соединений и указаны мероприятия по их предотвращению.
В целлюлозно – бумажной промышленности при производстве бумаги, картона широко используются сушильные цилиндры, которые составляют основу сушильной части бумагоделательных машин.
Конструктивно сушильный цилиндр состоит из литого чугунного корпуса и двух крышек. Крышки могут быть отлиты заодно с цапфами или быть составными с запрессованными стальными цапфами. Крышки с корпусом цилиндра соединяются болтами. В случаях применения составных крышек они крепятся к цапфам, также, с помощью болтов (рис. 1). В рабочем положении цилиндр находится горизонтально и вращается в подшипниковых узлах, расположенных на цапфах.
Процесс сушки происходит при контакте бумаги с рабочей поверхностью корпуса цилиндра, нагреваемого изнутри насыщенным водяным паром, который подается в сушильный цилиндр по подводящему патрубку через паровпускную головку.
Как отечественными, так и зарубежными изготовителями сушильных цилиндров в технической документации подробно изложены требования по обслуживанию и эксплуатации, выполнение которых направлено на обеспечение промышленной безопасности в течение всего расчетного срока службы сушильных цилиндров.
В качестве примера рассмотрим содержание технической документации отечественных заводов бумагоделательных машин, поставляемой заказчикам, на основании которой специалисты, с учётом местных условий, обязаны составлять производственные инструкции и организовать их неукоснительное выполнение, как при эксплуатации, так и при ремонте цилиндров[1,2,3,4]
На каждый цилиндр заводом заполняется паспорт, в который вносятся данные о материале основных деталей и крепежа, результаты гидравлических испытаний и приёмки цилиндра. На торце с лицевой стороны, прикрепляется металлическая табличка с указанием:
- Наименования завода-изготовителя;
- Года изготовления;
- Заводского номера цилиндра;
- Рабочего давления;
- Пробного давления;
- Допустимой температуры стенок цилиндра.
Кроме этого, паспортные данные наносятся ударным способом на фланце крышки лицевой стороны цилиндра.
Во время гидравлических испытаний, когда цилиндр заполнен водой, нагрузка на цапфы возрастает почти вдвое. В целях ограничения воздействия нагрузки необходимо устанавливать дополнительные опоры по концам рабочей части цилиндра.
Во избежание появления дисбаланса и возникновения недопустимых вибрационных нагрузок, при монтаже и эксплуатации не допускается перестановка крышек с одного цилиндра на другой и проверяется прочность креплений балансировочного груза внутри цилиндра.
Работы по демонтажу и обслуживанию цилиндра должны производиться после останова и остывания его стенок до температуры ниже 400 С.
Исключительно важную роль в обеспечении надежной и безопасной эксплуатации сушильных цилиндров имеет значение соблюдения режимов разогрева и охлаждения цилиндров и состояние резьбовых соединений его узлов.
При первоначальном пуске, а также после остановов машины (свыше 3-х суток), прогрев цилиндров необходимо производить с подъёмом давления пара по 0,2 кгс/см2 в 1 час до давления 1-1,2 кгс/см2, в дальнейшем подъём давления по 0,3 – 0,5 кгс/см2 в один час до рабочего давления (здесь и далее указывается избыточное давление). При пуске машины после остановов длительностью менее 3-х суток продолжительность разогрева сушильных цилиндров должна определяться температурой в момент пуска. При температуре цилиндров свыше 500 С до 800 С продолжительность разогрева должна быть не менее 2-3 часов. При температуре цилиндров свыше 800 С продолжительность разогрева должна быть не менее 1-2 часов. Во всех случаях разогрев сушильных цилиндров должен производиться при их вращении. Если конденсат из цилиндров удаляется черпаком, то при останове машины после прекращения пуска пара, цилиндры должны вращаться в течение 10-15 минут для удаления конденсата. Пуск в работу цилиндров необходимо осуществлять плавно (без резких толчков и ударов). Время увеличения скорости от нуля до максимума устанавливается технологическим режимом работы бумагоделательной машины, который разрабатывается специалистами эксплуатирующей организации.
Эксплуатационникам необходимо изучить прилагаемые изготовителями к паспортам расчеты прочности для представления о расчетных нагрузках, испытываемых элементами сушильных цилиндров, в том числе и болтовыми соединениями. Корпус цилиндра во время эксплуатации испытывает растягивающее напряжение от внутреннего давления, напряжение изгиба от собственного веса, веса конденсата наполовину заполняющего цилиндр и от усилия натяжения сетки. При расчётах принимается, что 70% нагрузки от давления на крышку приходится на болтовое соединение корпус-крышка, 30% — на соединение крышка-цапфа.
Например, для цилиндра с наружным диаметром 1500 мм., при рабочем давлении 3,5 кгс/см2 нагрузка на каждый из 38 болтов крепления крышки составляет 952,5 кг.
При применении крепежных изделий необходимо руководствоваться государственными стандартами, сопоставляя характеристики болтов с принятыми в расчетах на прочность, указанными изготовителем сушильных цилиндров. Каждая партия крепежных изделий должна сопровождаться документом о качестве с указанием [5]:
- наименования или товарного знака завода-изготовителя;
- условного обозначения изделия;
- перечня и результатов проведенных испытаний;
- массы нетто партии;
- средств временной противокоррозионной защиты и срока защиты;
- обозначения стандарта.
В стандартах регламентируются механические свойства сталей, из которых должны изготавливаться крепежные изделия в зависимости от расчетных параметров работы сушильных цилиндров. В характеристиках указанных сталей содержатся и сведения о средних значениях модуля нормальной упругости, коэффициентах линейного расширения и релаксационной стойкости. Таким образом, надлежащий выбор марок сталей направлен на обеспечение безопасной работы резьбовых соединений в пределах их заданного расчетного срока службы.
Прежде, чем использовать полученные крепежные изделия, целесообразно произвести тщательный их осмотр, руководствуясь, стандартом [6], который регламентирует дефекты поверхностей болтов, винтов, шпилек и методы контроля. В стандарте даны чертежи крепежных изделий с нанесенными на них графическими видами дефектов поверхностей, а также, указаны допускаемые предельные величины указанных дефектов.
В начальный период работы, под действием высоких температур и температурных деформаций, может возникнуть парение в местах соединения корпуса цилиндра с крышками. В этом случае следует, остановив бумагоделательную машину, провести подтяжку болтов до устранения парения. Одновременно провести проверку затяжки всех болтов на прочих цилиндрах. Во всех случаях величина момента затяжки должна соответствовать величине, указанной на поле сборочного чертежа, или в инструкции изготовителя по эксплуатации сушильных цилиндров. При этом необходимо иметь ввиду, что величина момента затяжки болтов, крепящих крышки цилиндра, и болтов, крепящих цапфы, разная. Резьбовые соединения следует затягивать равномерно по принципу диаметральной противоположности (рис. 2) и только с применением динамометрических ключей. При этом надо знать, что вероятность разрушения резьбового соединения происходит не только при недостаточной затяжке (менее регламентированного момента), но и при перезатяжке. Разрушение резьбового соединения при перезатяжке может произойти либо вследствие разрыва стержня болта, либо из-за срыва резьбы болта. Разрушение стержня болта происходит внезапно и легко может быть обнаружено. Срыв резьбового соединения болта происходит постепенно, его труднее обнаружить, поэтому при перезатяжке имеется опасность наличия в рабочих соединениях частично разрушенных крепежных изделий [7]. Выполнение требований изготовителей сушильных цилиндров и требований стандартов предопределяют надёжность и безопасность бумагоделательных машин, при этом должны учитываться и местные технологические условия производства.
Всем, кто связан с эксплуатацией и обслуживанием сушильных цилиндров, необходимо учиться предвидеть к каким последствиям может привести нарушение даже отдельных требований в процессе эксплуатации рассматриваемого в данной статье оборудования и принимать меры по их предупреждению.
С разрушением резьбовых соединений узлов сушильных цилиндров знакомы многие специалисты целлюлозно-бумажных предприятий.
По просьбе эксплуатационников работниками ООО «ЭВОЛИ ПЛЮС» с привлечением высококвалифицированных специалистов научно- исследовательской организации, имеющей лабораторию, оснащенную современным оборудованием для испытания конструкционных материалов было проведено исследование и экспертиза причины разрушения болтов крепления приводной цапоры к крышке сушильного цилиндра бумагоделательной машины.
За время длительной эксплуатации бумагоделательной машины случаи поломки болтов происходили неоднократно. Разрушенные болты заменялись на новые, но величина момента затяжки болтов не контролировалась
Для исследований были представлены:
- техническое задание;
- пять разрушенных и два не разрушенных болта, находившихся в эксплуатации;
- фрагменты стержней разрушительных болтов (рис. 3);
- четыре новых болта, предназначенных для использования.
В соответствии с техническим заданием с целью определения причин разрушения болтов и оценки качества не разрушенных болтов, находившихся в эксплуатации, а также – качества новых болтов, не находившихся в эксплуатации, в процессе экспертизы, выполнены следующие виды контроля, исследования и испытаний:
- внешний осмотр, измерения профиля резьбы и основных частей изделий, а также, определение класса точности изготовления изделий;
- ультразвуковой контроль;
- исследование химического состава металла изделий;
- металлографический анализ макро и микроструктуры металла изделий на поперечных шлифах, в т.ч. и вырезанных вблизи изломов;
- испытания на статическое растяжение цилиндрических образцов, вырезанных из стержней болтов. Испытания проводились как при комнатной температуре (плюс 200 С), так и при рабочей – (плюс 1700 С). Кроме того, с целью определения прочности болтов в месте соединения головки со стержнем (часть болтов была разрушена именно в местах галтельного перехода от головки к стержню), были, также, проведены испытания растягивающей нагрузкой на косой шайбе;
- измерение твердости по Виккерсу (HV) на поверхностях изделий и на шлифах;
- определение класса прочности болтов по результатам механических испытаний;
- определение механизма разрушений изделий по виду изломов (анализ поверхностей разрушения изделий с помощью оптической и электронно-лучевой микроскопии и фрактографии).
Анализ комплекса выполненных исследований металла и мест разрушения болтов крепления приводной цапфы к крышке сушильного цилиндра позволяет сделать следующие выводы:
Металл новых болтов и болтов крепления цапфы соответствует стали марок 35Х, 40Х.
При ультразвуковом контроле мест сопряжения (галтельных переходов) головок и стержней, не разрушенных болтов и болтов с разрушениями по стержням, трещин не выявлено. Измерения, проведенные на резьбовых частях новых болтов и болтов, бывших в эксплуатации, показали, что резьбовая часть стержней болтов, бывших в эксплуатации, имеет поверхностный износ, выраженный в изменении профиля и размеров резьбы. Результаты металлографического анализа показывают, что металл болтов представляет собой закаленную сталь низкого металлургического качества. Возникновению очагов разрушения способствовали, как конструктивные концентраторы напряжений, расположенные в канавках резьбы, так и неметаллические включения, сосредоточенные под головками болтов.
Испытания стандартных образцов на растяжение свидетельствуют о том, что новые болты соответствуют классу прочности 8.8. Болты, бывшие в эксплуатации, как разрушенные, так и не разрушенные, классу прочности 8.8 не соответствуют независимо от температуры испытаний.
Значения относительного удлинения металла этих болтов для фактических величин пределов прочности, превышают нормируемые значения. При температуре испытаний плюс 1700 С металл эксплуатировавшихся болтов имеет более низкие значения характеристик (примерно на 10 %), чем при температуре плюс 200 С. Распределение твёрдости по сечению стержней является характерным для термообработанных болтов: в основном, металл в сердцевине стержней несколько менее «твердый», чем в приповерхностных слоях. Зон с существенно повышенной твердостью в сечениях не выявлено. Результаты исследования поверхностей изломов болтов показали, что разрушенные крепежные детали находились в однотипных эксплуатационных условиях, подвергаясь воздействию циклической нагрузки и внешней среды. На изломах всех образцов выявлены признаки, указывающие на рост магистральной трещины механизмом усталости. Изначальный концентратор напряжений находился либо на дне резьбовой канавки, либо в месте сопряжения цилиндрической поверхности и головки болта, рабочие напряжения в стержнях болтов были разные.
Таким образом, результаты комплексных исследований демонстрируют, что основным механизмом разрушения болтов крепления приводной цапфы является коррозионно-усталостный. В стержнях усталость металла развивалась в условиях знакопеременной нагрузки с низкими номинальными напряжениями. Разрушения болтов, произошедшие «под головками», классифицированы как результат упругопластической деформации в условиях малоцикловой усталости.
Возникновению и развитию разрушений в болтах способствовали следующие факторы:
- наличие геометрических концентраторов: резьбовых канавок и галтельного перехода от головки болта к стержню;
- существенное изменение профиля и размеров резьбы. К подобным изменениям могла привести достаточно длительная работа резьбы в посадочном отверстии с «люфтами» или слишком сильная затяжка болтов, приводящая к взаимной остаточной деформации выступов наиболее нагруженных резьбовых витков болтов и отверстий. Подобное резьбовое соединение является ненадежным, т.к. при высоких рабочих циклических нагрузках в этих местах провоцируются дополнительные повреждения всех участвующих в соединении поверхностей деталей;
- неметаллические включения в металле, сосредоточенные под головками болтов;
- несоответствие относительного удлинения для класса прочности болтов 8.8.;
- снижение на 10% значений механических свойств металла болтов при температуре эксплуатации плюс 1700 С;
- наличие эксплуатационной коррозионно-активной окружающей среды из-за испарений при технологическом процессе сушки бумажной массы.
Как при эксплуатации, так и при экспертизе всегда надо помнить наставления почти забытого поколения специалистов России о том, что даже самые совершенные инструкции и правила не избавляют господ инженеров от необходимости думать и применять полученные знания на пользу Отечеству.
Список литературы
- Цилиндр сушильный. Расчеты (81.0-6019.000 РР), Петрозаводское машиностроительное объединение, 1985 г., 21 стр.
- Цилиндр сушильный. Инструкция по эксплуатации (81.0-6019.000 ИЭ), Петрозаводское машиностроительное объединение, 1985 г., 11 стр.
- Цилиндр сушильный. Расчеты (786.175.01.000 РР) Ижевский завод тяжелых бумагоделательных машин, 1984 г., 27 стр.
- Цилиндры сушильные, сукносушительные и холодильные. Инструкция по монтажу и безопасной эксплуатации (786.00.00.000 ИЭ) Ижевский завод тяжелых бумагоделательных машин, 1985 г., 15 стр.
- ГОСТ 1759.0. Болты, винты, шпильки и гайки. Технические условия.
- ГОСТ 1759.2. Болты, винты и шпильки. Дефекты поверхностей и методы контроля.
- ГОСТ 1759.5. Гайки. Механические свойства и методы испытаний.