硬脂酸鋅進(jìn)料罐攪拌軸斷裂失效分析

魏培生，解志剛，祝加軒，王 波，張?jiān)苼?/p>

(中國(guó)石油獨(dú)山子石化分公司研究院，新疆 獨(dú)山子 833699)

某公司聚苯乙烯裝置硬脂酸鋅進(jìn)料罐攪拌軸多次發(fā)生故障，問題頻發(fā)，其新安裝攪拌軸已使用約5.8年，2021年2月設(shè)備運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)攪拌軸與電動(dòng)機(jī)聯(lián)軸器靠背輪處脫落，攪拌軸發(fā)生斷裂，軸發(fā)生斷裂處的位置如圖1和圖2所示。硬脂酸鋅進(jìn)料罐于2009年投入使用，介質(zhì)為苯乙烯、硬脂酸鋅，操作壓力為常壓，操作溫度為35 ℃，容積為8.1 m3。硬脂酸鋅進(jìn)料罐在室外環(huán)境工作，其攪拌軸被頂部隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，功率為1.1 kW，轉(zhuǎn)速為675 r/min，攪拌槳直徑為584 mm，槳葉轉(zhuǎn)速為145 r/min，扭矩為124 N·m，垂直受力3 400 N，彎矩為1 503 N·m。為查找攪拌軸斷裂的原因，對(duì)攪拌軸進(jìn)行了宏觀檢查、理化檢測(cè)、掃描電鏡觀察，并提出了改進(jìn)措施[1]。

圖1 攪拌軸結(jié)構(gòu)圖

圖2 攪拌軸斷裂部位

1 設(shè)備檢維修情況

硬脂酸鋅進(jìn)料罐于2009年安裝并投入使用。2011年8月攪拌器第1次維修，對(duì)軸進(jìn)行彎曲校正，更換6片加厚槳葉，攪拌軸被截短197 mm，修復(fù)后投入使用。2015年5月攪拌器第2次維修，檢查槳葉完好無變形，但止推軸承位置發(fā)生位移，校正困難，更換新軸，修復(fù)后投入使用。2019年8月第3次維修，更換減速箱軸承、油封、機(jī)封，攪拌軸進(jìn)行檢查校正，修復(fù)后投入使用。2021年2月，攪拌軸與電動(dòng)機(jī)聯(lián)軸器靠背輪處脫落，攪拌軸發(fā)生斷裂。對(duì)攪拌軸直線度進(jìn)行測(cè)量，位于φ40 mm軸身端部的最大變形量為11.6 mm(見圖3)。

圖3 攪拌軸直線度測(cè)量

2 宏觀檢查

2.1 攪拌軸磨損部位形貌

攪拌軸自φ32 mm與φ40 mm的臺(tái)階處沿根部發(fā)生斷裂，φ40 mm臺(tái)階端部存在整圈寬5 mm的嚴(yán)重磨損痕跡，距φ40 mm軸端部98 mm處存在深1 mm、寬20 mm、約占軸外徑50%的擠壓溝槽；距φ40 mm軸端部118 mm處存在寬20 mm的整圈劃痕(見圖4)。

圖4 攪拌軸磨損部位形貌

2.2 攪拌軸斷口形貌

攪拌軸斷口平滑且與軸中線垂直，外表面覆蓋有一層灰黑色油泥(見圖5)。斷口位于軸φ32 mm與φ40 mm臺(tái)階根部，經(jīng)清洗后斷口表面呈鐵灰色金屬光澤，有脆性疲勞斷裂特征。攪拌軸斷口明顯分為3個(gè)區(qū)域(見圖6)。疲勞裂紋源區(qū)：攪拌軸工作時(shí)承受單向彎曲載荷，斷口附近臺(tái)階根部未進(jìn)行圓角加工導(dǎo)致應(yīng)力集中(見圖7)，受應(yīng)力集中的影響，出現(xiàn)多個(gè)疲勞源，裂紋沿著φ32 mm攪拌軸臺(tái)階根部周向萌生。疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)：疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)可見清晰疲勞弧線，可以觀察到呈同心圓的貝殼狀花紋，且呈凸向，裂紋擴(kuò)展區(qū)占整個(gè)斷口的90%。瞬斷區(qū)：瞬斷區(qū)在最初開裂的疲勞源對(duì)面，位置處于斷面邊緣且面積很小，表明軸所受外力載荷較小，說明該斷口屬低應(yīng)力多疲勞源型高周疲勞斷裂[2-3]。

圖5 斷口原始表面宏觀形貌

圖6 斷口清洗后表面宏觀形貌

圖7 軸臺(tái)階根部無圓角

2.3 攪拌軸滾動(dòng)軸承磨損形貌

攪拌軸側(cè)滾動(dòng)軸承外圈外表面存在整圈磨損痕跡和2處裂紋：一處為軸向裂紋，長(zhǎng)度為6 mm；另一處為整圈環(huán)向裂紋，軸承外圈內(nèi)表面存在整圈周向磨損痕跡(見圖8)。軸承內(nèi)圈外表面金屬磨損剝落較為嚴(yán)重，剝落面積約占內(nèi)圈的75%，軸承內(nèi)圈內(nèi)表面存在整圈周向磨損痕跡(見圖9)。

a) 外表面

a) 外表面嚴(yán)重磨損

3 攪拌軸化學(xué)成分分析

攪拌軸材質(zhì)為20鋼。對(duì)本次斷裂攪拌軸進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。根據(jù)JB/T 6397—2006《大型碳素結(jié)構(gòu)鋼鍛件》可知，攪拌軸化學(xué)成分符合要求。

表1 攪拌軸材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

4 攪拌軸理化性能分析

4.1 金相分析

依據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，對(duì)攪拌軸取樣并進(jìn)行金相組織觀察。攪拌軸芯部金相組織為鐵素體+珠光體。攪拌軸邊緣部分組織為魏氏組織，部分組織為鐵素體+碳化物。攪拌軸邊緣組織到芯部組織間存在過度組織區(qū)域。攪拌軸邊緣存在涂層且涂層厚度不均勻，部分區(qū)域無涂層(見圖10)。

a) 涂層厚度均勻

4.2 硬度分析

依據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》對(duì)軸進(jìn)行維氏硬度檢測(cè)，結(jié)果見表2。JB/T 6397—2006《大型碳素結(jié)構(gòu)鋼鍛件》中材料20鋼要求硬度值范圍為105～156 HBW(正火處理)，軸的硬度值滿足材料20鋼要求。

表2 軸橫截面硬度檢測(cè)結(jié)果/HV1/15

4.3 沖擊吸收功分析

分別在攪拌軸芯部、軸邊緣附近取樣并按GB/T 229—2007《金屬試樣夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，軸芯部沖擊吸收功為139 J，軸邊緣沖擊吸收功為171 J。JB/T 6397—2006《大型碳素結(jié)構(gòu)鋼鍛件》中材料20鋼要求沖擊吸收功≥54 J(正火態(tài))，軸的沖擊吸收功滿足要求。

5 攪拌軸斷口掃描電鏡分析

使用掃描電鏡分別對(duì)軸斷口裂紋源、擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)進(jìn)行微觀分析[4]。裂紋源區(qū)域可看到明顯的疲勞斷裂的“輝紋線”，裂紋擴(kuò)展區(qū)域可看到方向不同的疲勞斷裂的“輝紋線”，說明攪拌軸承受扭轉(zhuǎn)載荷的作用[5-6]。瞬斷區(qū)可見明顯的韌窩與疲勞“輝紋線”。斷口未見明顯塑性變形，斷裂性質(zhì)為脆性多源疲勞斷裂(見圖11～圖13)。

a)裂紋源1

a)裂紋擴(kuò)展區(qū)疲勞條帶

a)瞬斷區(qū)

6 分析與討論

攪拌軸工作過程中，硬脂酸鋅進(jìn)料罐內(nèi)苯乙烯處于35%液位，裝置外操每隔8 h對(duì)罐內(nèi)按配比5%的量進(jìn)行人工添加硬脂酸鋅粉料。硬脂酸鋅進(jìn)料罐直徑大，軸在運(yùn)行過程中在罐內(nèi)擺動(dòng)較大，軸本身主要承受扭轉(zhuǎn)和彎曲載荷、軸向載荷、徑向載荷。扭轉(zhuǎn)、彎曲載荷主要取決于電動(dòng)機(jī)功率、物料粘度、攪拌槳和攪拌軸轉(zhuǎn)速等因素；軸向載荷取決于攪拌軸自身重力和流體作用力的軸向分量；徑向載荷取決于軸承約束攪拌軸離心慣性力和流體作用力的徑向分量。

宏觀檢查表明，軸的斷口平滑且與軸中線垂直，斷面灰黑色無金屬光澤，無宏觀塑性變形，呈脆性斷裂特征[7]。在φ40軸端部存在5 mm整圈擠壓磨損痕跡，說明攪拌軸在工作過程中存在劇烈振動(dòng)，導(dǎo)致裂紋在臺(tái)階根部最先萌生環(huán)向疲勞裂紋并擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展區(qū)面積占斷面90%以上，瞬斷區(qū)面積比例很小，說明軸在斷裂瞬間受較低的應(yīng)力。較低的應(yīng)力也表明疲勞裂紋從軸的臺(tái)階根部發(fā)生后，裂紋擴(kuò)展速率很低，在斷口上形成非常細(xì)密的疲勞條帶，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，裂紋尖端擴(kuò)展速率會(huì)逐漸加快[8]。

金相檢測(cè)發(fā)現(xiàn)軸邊緣存在厚度不均勻的涂層，涂層的存在有利于提高軸的疲勞強(qiáng)度，但在斷裂的過渡臺(tái)階根部未發(fā)現(xiàn)涂層，且該處未加工圓角，該處形成應(yīng)力集中區(qū)域，導(dǎo)致斷裂處抗疲勞強(qiáng)度有所降低。從金相檢測(cè)結(jié)果來看，該軸未經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，軸的強(qiáng)度、塑性和韌性沒有得到提升，綜合力學(xué)性能不高。

掃描電鏡結(jié)果表明，在裂紋源區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)可以看到明顯的疲勞輝紋，在瞬斷區(qū)有明顯的韌窩與疲勞輝紋，上述充分說明，攪拌軸斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。

攪拌軸受設(shè)備安裝精度、軸承磨損和摩擦增大、不穩(wěn)定運(yùn)行狀況等原因，也會(huì)增大攪拌軸的交變載荷，使軸彎曲變形，撓度增大，引起附加交變載荷，更促進(jìn)了疲勞裂紋源的生成。

7 結(jié)語

攪拌軸在制造時(shí)，涂層分布不均勻，在軸頸與軸肩過渡臺(tái)階根部未發(fā)現(xiàn)涂層，且該處未加工圓角，形成應(yīng)力集中區(qū)域，使該部位的抗疲勞強(qiáng)度降低，最終產(chǎn)生疲勞裂紋，軸在交變載荷的作用下裂紋發(fā)生擴(kuò)展，最終導(dǎo)致軸疲勞斷裂。該軸在制作時(shí)，未進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理且涂層不均勻，其綜合力學(xué)性能未得到有效提高，軸在硬雜質(zhì)、粉塵容易侵入的環(huán)境工作較易發(fā)生表面磨損[9-10]。此外，軸運(yùn)行中設(shè)備安裝精度、軸承磨損偏心運(yùn)行等情況，也促進(jìn)了攪拌軸的疲勞斷裂。

建議對(duì)攪拌軸材質(zhì)進(jìn)行升級(jí)，采用抗疲勞強(qiáng)度更高的材質(zhì)(如40Cr等材料)加工攪拌軸，以滿足當(dāng)前使用工況。重新核算攪拌軸各部位(尤其是本次斷裂部位)的受力情況，對(duì)扭矩、彎矩進(jìn)行校核，延長(zhǎng)軸的使用壽命。制造廠還應(yīng)關(guān)注軸的加工質(zhì)量，特別是軸頸與軸肩過渡臺(tái)階處的圓角加工，應(yīng)對(duì)圓角半徑進(jìn)行確認(rèn)，避免應(yīng)力集中，確保軸的長(zhǎng)周期使用。