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1,2
(1.绍兴市特种设备检测院,绍兴 312700;2.绍兴市特种设备智能检测与评价重点实验室,绍兴 312071; 3.浙江鸿盛化工有限公司,绍兴 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、化工、食品、医药等行业中应 用广泛,反应釜是化工生产中应用最广泛的反应器 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,该 反应釜为三类压力容器,属于高风险特种设备。反 应釜的整 体 结 构 如 图 1 所 示,釜 体 的 工 作 压 力 为 1.6MPa,工作 温 度 为 120 ℃,罐 体 材 料 为 Q345R 钢,服役时间为6a。该搅拌轴的局部结构如图2所 示,搅拌轴长度为2.6 m,为悬臂轴,下方为弯叶圆 盘涡轮桨。 搅拌轴与联轴器由均匀分布的8个螺栓刚性连接,电机功率为50kW,转速为400r·min -1;轴的材 料为06Cr19Ni10 钢,轴 的 外 径 为 96 mm,内 径 为 76mm,壁厚为10mm,进气孔直径为12mm,为双 排孔,每排均匀分布6个进气孔;搅拌轴的服役时间 为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 图3所示,由图3可知,在裂纹源1处可见典型的疲 劳贝纹。轴与断口吻合较好,断口平整,无明显塑性 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/ 孔 3 过 断 渡 口 区 在 , 面积较小。进气孔外壁有45°倒角,进气孔内壁未 进行倒角处理,在进气孔内壁有肉眼可见的水平方 向裂纹,并由内壁向外壁扩展。 将法兰拆卸清洗后,发现8个螺孔均已变形,呈 椭圆形,法兰孔及法兰截面宏观形貌如图4a)所示, 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,利用多道焊的方式将搅拌轴与角焊缝连接,焊后进行机 械加工,角焊缝与搅拌轴呈135°。
1.2 化学成分分析
依据 GB/T11170-2008《不锈钢 多元素含量 的测定 火花放电原子发射光谱法(常规法)》,用直 读光谱仪对搅拌轴、角焊缝、法兰的材料进行化学成 分分析,结果如表1所示,其化学成分均符合 GB/T 20878-2007《不锈钢和耐热钢 牌号及化学成分》 对06Cr19Ni10钢的要求。
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,对 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 为 1194N·m,搅拌轴内、外径之比α 为0.792,则最大 剪应力τmax 为11.336 MPa。考虑搅拌轴上有6个 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,最大剪应力τmax 小于 许用剪应力,因此搅拌轴的剪应力校核满足要求。
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)不锈钢晶间腐蚀试 验方法》中的10%(质量分数)草酸浸蚀法进行金相 检验,对离焊缝19mm 处搅拌轴的内外壁进行金相 检验,其显微组织如图5所示,均为奥氏体组织,未 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,角焊缝 与搅拌轴交 界 处 存 在 微 裂 纹,裂 纹 方 向 与 断 口 方 向一致
角焊缝处搅拌轴内、外壁的显微组织如图7所 示,由图7可知,搅拌轴焊缝侧2/3壁厚发生敏化, 外壁晶粒明显增大,则其力学性能下降。
1 5 扫描电镜
SEM 分析 用 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 。 察到疲劳条带[4][见图8a),8b)];进气孔断裂源区 表面较光滑,可见 较 多 的 二 次 裂 纹[见 图 8c)];进 气孔断面的压痕较多,扩展区可见疲劳条带[见图 8d)];瞬断区可见韧窝密集分布[见图8e)]。 由上述分析可知,搅拌轴的断裂过程为: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,直 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,模拟结果与实际断裂部位应力分 析结果吻合,搅拌轴在结构上表现为进气孔与角焊 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 角,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)第8讲 失效诊断 与预防技术(6)[J].理化检验(物理 分 册),2018,54 (10):716-725. [2] 王荣.机械装备的失效分析(续前)第8讲 失效诊断 与预防技术(1)[J].理化检验(物理 分 册),2017,53 (12):849-858. [3] 陈志平,章序文,林兴华.搅拌与混合设备设计选用手 册[M].北京:化学工业出版社,2004. [4] 钟群鹏,赵子 华.断 口 学 [M].北 京:高 等 教 育 出 版 社,2006.