1 干燥机简介

山西天脊煤化工集团股份有限公司硝铵产品干燥机是硝铵厂重点设备之一，该干燥机属于回转圆筒干燥机（简称干燥机），干燥机型号Φ3200mm×32000mm，筒体材质Q235-A，筒体厚度18mm，滚圈加强段筒体厚度40mm。筒体内壁用螺栓固定有不锈钢升举抄板。该干燥机用热空气来干燥硝铵产品，采用并逆流组合方式，干燥机两头进气，中间抽气，中间装有空气出口导流通道。干燥机两端装有空气加热器，对空气进行加热，加热后硝铵入口侧空气温度70～80℃，出口侧空气温度110～120℃。硝铵产品干燥过程分为两段：预干燥段和干燥段，硝铵入口侧为预干燥段，硝铵出口侧为干燥段。进入干燥筒的湿硝铵产品，先经预干燥段与热空气入口温度70～80℃的热空气顺流换热后，越过干燥筒中部的气体出口导流通道，进入干燥段，在干燥段与热空气入口温度110～120℃的热空气逆流换热，干燥后的硝铵产品输出干燥机。

其中鞍座板的作用是将筒体载荷传递到滚圈上，使筒体不直接与滚圈相磨损。滚圈的作用是支撑整个回转体的质量，使其能在托轮上回转，因此滚圈必须要有足够的刚性和耐久性。该干燥机采用的是实心矩形滚圈，冷态下滚圈松套在筒体鞍座板位置，滚圈与鞍座板之间预留了一定间隙，合适的预留间隙使筒体在热态运转时，滚圈与垫板间不存在间隙。滚圈与鞍座板之间在圆周方向上对称设置有两个平键，可阻止滚圈与垫板间沿周向的相对滑动。

2 干燥机裂纹分布及特点

干燥机是1999年硝铵项目投产时投用，干燥机年设计负荷20万吨，自2003年开始运行负荷达到24～25万吨。近年来干燥机运行一直比较平稳，没有发现异常现象。2008年对预干燥段滚圈鞍座板进行了更换，2008年开始滚圈与鞍座板之间的平键因频繁被挤出，又因回装困难，放弃安装。

2011年5月12日，系统停车抢修期间，对干燥机进行了例行检查，结果发现筒体多处出现裂纹，按裂纹分布及特点归纳起来可分为4种：鞍座板位置纵向长裂纹、环焊缝位置纵向短裂纹、筒体出口边缘纵向裂纹、筒体中部气体出口导流通道焊缝裂纹。

种，鞍座板位置筒体纵向裂纹。裂纹特点：纵向沿筒体轴线方向延申，筒体圆周共发现8条，长达1100mm，短至600mm，且多处位置筒体裂透；出口侧鞍座板位置较入口侧鞍座板位置严重，入口侧鞍座板位置仅发现一条纵向裂纹。

第二种，筒体环焊缝位置纵向短裂纹。裂纹特点：垂直于环焊缝，较短（50～60mm），沿环焊缝有无数条，出口侧筒体较多。

第三种，筒体出口边缘纵向裂纹。裂纹特点：垂直筒体边缘，长度100～200mm，沿筒体边缘有多条。

第四种，筒体中部气体出口导流通道焊缝裂纹。裂纹特点：有多处，均沿焊缝开裂。

3 裂纹产生原因

（1）筒体鞍座板位置纵向长裂纹产生原因：从筒体的受力分析看，整个筒体重量通过滚圈传递给托轮。在滚圈位置，筒体在两托辊的支撑及筒体自重和物料重力共同作用下，筒体圆形横截面在径向力作用下发生椭圆变形，表现在筒体与滚圈的间隙上：上方间隙较大，左右两侧间隙小，下部没有间隙。即筒体上下曲率半径变大，筒体两侧曲率半径变小，可见筒体在圆周方向上受到弯矩即弯曲应力作用。

筒体在转动过程中，筒体横截面上沿圆周方向各点的曲率半径在随时间周期性变化，即筒体各点的弯曲应力随时间做周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力成为交变应力（也称循环应力）。在交变应力的作用下，虽然筒体所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后，会达到材料的疲劳极限，产生裂纹或突然发生完全断裂的现象，这种现象称为金属的疲劳。鞍座板筒体纵向裂纹的产生就是筒体受到交变的弯曲应力长期作用，达到了材料的疲劳极限，导致裂纹的产生。由于筒体横截面上弯曲正应力是沿圆周切线方向的，所以疲劳裂纹是纵向的，即裂纹沿筒体轴线方向延伸。由于鞍座板位置筒体受力较大，所以此处裂纹较严重。

（2）筒体环焊缝位置纵向短裂纹产生原因：由于焊接原因使焊缝位置材料发生变化，在运行中焊缝位置应力比较集中导致焊缝周围疲劳强度降低，同样在沿圆周方向弯曲应力的作用下，在焊缝边缘位置产生垂直于环向焊缝的纵向裂纹。

（3）筒体边缘裂纹产生原因：筒体弯曲交变应力及筒体振动共同作用所致。为什么筒体出口侧出现裂纹，而入口侧没有出现裂纹。一是和温度有关，出口侧温度高于入口侧温度，温度高疲劳强度低，所以疲劳断裂。二是和筒体振动有关，振动大，筒体易开裂。筒体振动大小与筒体驱动位置有关。该筒体驱动位置靠近入口侧，筒体长32000mm，离驱动位置越远，受约束越小，筒体端部跳动就越大，更易导致材料疲劳，产生裂纹。

（4）筒体中部气体出口导流通道焊缝开裂原因：气体出口导流通道位于筒体中部，由于筒体受力及南北托辊的支持作用，筒体在轴线方向上发生弯曲变形，在中部气体出口处弯曲应力较大。由于筒体转动，在气体出口处同样受到交变的弯曲应力作用，导流通道焊缝位置应力比较集中，长期运行导致焊缝疲劳开裂。

（5）在出口侧裂纹较入口侧多且严重。

①出口侧滚圈与鞍座板间隙大。干燥机筒体从设计角度来讲应具有足够的刚度和强度，从安装和运转中的维护来讲，应保持筒体轴线的直线性和截面的圆度。

②出口侧滚圈与鞍座板之间平键的缺失。2008年开始，该键就未安装，由于滚圈是松套在圆周方向相对定位。现如今平键的缺失导致在筒体转动过程中二者之间在圆周方向产生相对滑动，不断磨损，日积月累，势必导致滚圈与鞍座板间隙的增大，大大削减了滚圈对筒体刚性的加强作用。

③出口侧温度高于入口侧温度，材料的疲劳强度大小与材料所处的环境温度高低有关。干燥机筒体材料是Q235-A，属于碳钢，就碳钢而言，疲劳强度从室温到120℃时下降，从120℃到350℃又上升，温度高于350℃以后又下降，在高温时没有疲劳极限。从筒体的运行状态可知，筒体入口侧属于预干燥段，入口空气温度在70～80℃，筒体的出口侧属于干燥段，入口空气温度在110～120℃，中间空气出口温度在50～60℃，所以整个筒体的温度在50～120℃。在该温度范围内，筒体的疲劳强度随温度的升高而降低，即出口侧筒体的疲劳强度低于入口侧的疲劳强度，故导致筒体出口侧裂纹比入口侧裂纹严重。

（6）筒体材质采用的是Q235-A，是干燥机制造标准（JB/T 8852.2-2000）中允许使用的较低材质，该材质只要求力学性能不要求化学成分，且出厂不要求做冲击试验（参见GB/T 700-2006碳素结构钢标准）。由干燥机工作原理可知，物料被筒体内壁固定的升举抄板举起，当转动到高处时，物料被撒落下来，撒落下来的物料对筒体产生冲击作用，干燥机筒体受冲击载荷作用，对筒体材料的抗冲击载荷能力有一定的要求，由于该筒体所用材质选用的是Q235-A，该材质抗冲击载荷能力较弱，也是导致筒体使用寿命缩短，多处出现大量裂纹的原因之一。

（7）从多年来干燥机运行状态看，该干燥机一直超负荷运行，年设计20万吨，实际24～25万吨，超负荷运行也必然导致干燥机使用寿命缩短。

4 修复及防护措施

因筒体局部或整体更换的难度都比较大，且检修费用高，检修时间长，暂且不予考虑，目前能做的是采取措施，尽量延长筒体使用寿命，适时准备备件。

（1）2011年5月因是抢修，时间有限，仅对裂纹进行了防扩展处理，在所有裂纹两端均打Φ（4～5）mm止裂孔，并用铆钉将止裂孔铆死，防止漏料。另外在出口鞍座板处选取一条长裂纹进行了打磨补焊处理，并在筒体外面补焊钢板两块，在出口侧筒体边缘处选一条裂纹进行了补焊处理，对筒体中部导流通道的所有焊缝裂纹进行了补焊处理。近期利用停车机会对裂纹的发展情况进行了检查，绝大多数裂纹没有扩展。

（2）利用2011年10月大修机会对筒体进行修复和加强。准备对鞍座板处长裂纹进行挖补焊接，并在鞍座板位置筒体内部加焊一定宽度的圆筒衬套对筒体进行补强。对筒体边缘裂缝全部进行挖补焊接，焊缝边缘小裂纹视裂纹扩展情况再作处理，并对补焊部位进行焊后消应力热处理。

（3）做好日常的防护检查工作，延长筒体使用寿命。

①加强检查，了解裂纹发展情况及措施作用情况，以便及早采取应对措施。

②调整好托辊与筒体轴线的平行度，保证筒体轴线的直线度，改善筒体受力情况，使各托辊受力均匀，防止筒体在某处的应力集中。

③调整好滚圈与鞍座板的间隙，减小间隙，减小筒体变形，改善筒体受力情况，延长筒体寿命。

5 结论

从裂纹产生的原因看，筒体受交变应力作用，长期运行必然导致筒体疲劳开裂，滚圈与鞍座板之间平键的缺失导致了二者之间间隙的加大，在很大程度上加快了筒体疲劳损坏的程度。拟采取的挖补焊接及内衬加强筒体的措施，只能在一定程度上延长筒体的使用寿命。今后使用过程中应加强对筒体的检查，注意筒体缺陷的发展情况，适时制作新备件，以备不时之需。新备件应适当考虑提高材料等级和改善筒体结构等措施，提高筒体的抗疲劳能力。并在使用过程中，应调整好鞍座板与滚圈的间隙，调整好托辊与筒体的平行度，保证筒体轴线的直线度，改善筒体受力状况，延长筒体使用寿命。