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浏览:- 发布日期:2022-11-09 14:11:59【

陈仙凤1,2,徐泽勇3,廖 立3,任绪凯1,2,余焕伟1,2,杜锡勇1,

(1.绍兴市特种设备检测院,绍兴 312700;2.绍兴市特种设评价重点实验室,绍兴 312071; 3.浙江鸿盛化工有限公司,312300

摘 要:某反应釜的自吸式搅拌轴在运行过程中发生断裂,采用宏观观察化学成分分析剪应 力校核金相检验扫描电镜分析能谱分析及有限元模拟等方法对断裂原因进行研究结果表明: 螺孔变形角焊缝处材料敏化,以及结构上的应力集中是该搅拌轴发生疲劳断裂的主要原因

关键词:反应釜;搅拌轴;疲劳断裂;敏化;有限元模拟

中图分类号:TG115.5 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)08-0065-04

搅拌设备在石油医药等行中应 用广泛,反应釜是化工生广泛反应之一搅拌轴是反应釜中的核心部件,其在使用中 经常发生断裂,不仅会造成经济损失,还会导致安全 事故[1-2]某反应釜的搅拌轴在使用过程中突发断裂,反应釜为三类压力容器,属于高风险特种设备应釜的整 体 结 构 如 图 1 ,作 压 1.6MPa,温 度 为 120 ℃,Q345R ,服役6a2,搅拌轴长度为2.6 m,,盘涡轮桨搅拌轴与联轴器由均匀分布的8个螺栓刚性连,电机功率为50kW,转速为400r·min -1;的材 料为06Cr19Ni10 ,轴 的 外 径 96 mm,76mm,壁厚为10mm,进气孔直径为12mm,排孔,每排均匀分布6个进气孔;搅拌轴役时间 20个月断裂发生在搅拌轴与角焊缝交界处及第一排进气孔处笔者采用理化检验和有限元分析 等方法对该反应釜搅拌轴的断裂原因进行了研究。 


1 理化检验 

1.1 宏观观察 

现场发现搅拌轴和搅拌桨无变形,断裂发生在 搅拌轴上,呈台阶状断裂搅拌轴断口宏观形貌如 3所示,由图3可知,裂纹1见典的疲 劳贝纹轴与断口吻合较,,明显变形,2/3断口在角焊缝与轴的交界处, 第一排进气孔处,瞬断区位于角焊缝与管 1/ 3 过 断 渡 口 区 在 , 面积较小进气孔外壁有4,内壁进行倒角处理,在进气孔内的水平方 向裂纹,并由内壁向外壁扩展将法兰拆卸清洗后,发现8个螺孔均已,椭圆形,法兰孔及法兰截面宏观形貌如图4a), 单孔直径的最大值和最小值平均差为1.4mm,这样 同轴度误差增大,会导致转动过程中产生振动和附 加弯曲载荷法兰的剖面如图4b)所示,连接方式 为搅拌轴插入法兰后封底焊,法兰上开坡口,多道焊的连接,焊后进行机 加工,135°


1.2 化学成分分析

GB/T11170-2008含量 的测()》,读光谱仪对搅拌轴分分析,结果如表1,GB/T 20878-2007热钢 牌号及化学成分06Cr19Ni10。 


1.3 剪应力校核

假设搅拌轴转动时不存在弯矩,纯扭转运行,搅拌轴的进气孔处进行剪应力校核[3]按 最 大 搅 拌 轴 的 功 率 计 算 扭 矩 Mmax 1194N·m,搅拌轴内外径之比α 0.792,则最大 剪应力τmax 11.336 MPa考虑搅拌轴上有6直径为12mm 的进气孔,乘以修正值1.36,则开孔 截面的实际最大剪应力τmax 约为15.42MPa该材 料的许用剪应力为30 MPa,τmax 许用剪应力,因此搅拌应力


1.4 金相检验

依据 GB/T4334-2020 金 属 和 合 金 的 腐 蚀 奥氏体及铁素体-奥氏体(双相)不锈钢间腐验方法中的10%(质量分数)草酸浸法进检验,对离焊缝19mm 处搅拌轴的内外壁进行金检验,其显微组织如图5所示,均为奥氏体组织,发生腐蚀。 

对搅拌轴 角 焊 缝 处 进 行 金 相 检 验,搅 拌 轴 角 焊缝处微观形貌如图6所示,由图6可知,角焊与搅拌轴交 界 处 存 在 微 裂 纹,裂 纹 方 向 与 断 向一致

角焊缝处搅拌7,由图7可知,2/3, 外壁晶粒明显增大,


1 5 扫描电镜

SEM 分析 SEM 分 析 搅 拌 轴 断 口,结 果 如 图 角焊缝处搅 拌 轴 断 口 贝 纹 源 区 附 近扩 展 8 区 所 均 示 观 劳条[4][8a),8b)];较光,[8c)];气孔断面的压痕较多,扩展区可见疲劳条带[8d)];瞬断区可见韧窝密集[8e)]由上述分析可知,:疲劳 起源于搅拌 轴 与 角 焊 缝 交 接 突 变 处,并 沿 角 焊 缝 扩展,第一排进气孔内壁产生径向裂纹并扩展,到相邻两孔 应 力 释 放 停 止 扩 展,最 终 在 台 阶 处 形 成瞬断区

1.6 能谱分析

对搅拌轴的材料敏化区域进行能谱分析,分析 位置如图9a)所示,分析结果如图9b),9c)所示

2 有限元模拟 

对搅拌轴的断裂部位进行有限元模拟,其应力 分布如图10所示,析结果吻合,拌轴缝处应力较大,在循环附加载荷的作用下最先出现 疲劳裂纹,降低这两处的应力集中可延长搅拌轴的 使用寿命不同切向力和扭矩对各部位的应力影响 如图11所示近焊缝第一排进气孔处的应力较第 二排进气孔处的应力大有限元模拟时假设材料各 向同性,从有限元模拟结果看,虽然角焊缝处应力和 进气孔处应力相比相对较小,但疲劳起源于该角焊 缝处,这与材料敏化角焊缝处的晶粒增大敏化部 位承载能力下降有关



3 综合分析

综合上述理化检验剪应力校核及有限元模拟 结果可知:螺孔变形使同轴度误差增大,从而产生附 加弯矩;法兰与搅拌轴的角焊缝填充量较大,角焊缝 处材料敏化,敏化深度达到壁厚的2/3,敏化部位晶 粒粗大,该部位承载能力下降;焊缝和搅拌轴交界处 形状突变,机械加工后进气孔的内壁和外壁未倒圆 ,导致应力集中在循环附加载荷的作用下,局部 永久性累积损伤导致裂纹萌生并扩展,直至发生疲 劳断裂

4 结论与建议 

螺孔变形角焊缝处材料敏化,及角焊缝处形状 突变导致应力集中是搅拌轴最终发生疲劳断裂的主 要原因建议加装振动监测装置,便于及时发现异常 振动;改进焊接工艺可减小角焊缝部位的敏化影响; 并将角焊缝加工成凹形角焊缝,可以减小应力集中

参考文献: [1] 王荣.机械装备的失效分析(续前)8与预防技术(6)[J].理化检验(),2018,54 (10):716-725. [2] 王荣.机械装备的失效分析(续前)8与预防技术(1)[J].理化检验(),2017,53 (12):849-858. [3] 陈志,,.用手 [M].:,2004. [4] 钟群,.[M].:,2006.

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