安全銷斷裂失效原因分析

陳 海，季華建，張文澤，解志剛，祝加軒

（中國石油獨山子石化公司研究院，新疆克拉瑪依 833699）

1 設備問題描述

2021 年3 月7 日，某車間聚丙烯裝置擠壓機因齒輪泵電機安全銷斷裂報警導致擠壓機連鎖停機，停機后由于原廠備用安全銷無庫存，車間使用了當地機械廠代工生產的安全銷進行更換使用，在使用8 d 后再次發生了斷裂失效，在齒輪泵使用不到3 個月的時間里中發生了兩個批次的安全銷斷裂失效事件，斷裂的安全銷既有齒輪泵原廠生產廠家供貨也有生產單位委托當地機械廠代工生產供貨的。安全銷的實際使用情況是：原廠生產供貨的安全銷在發生斷裂失效前使用的時間較長，原廠安全銷于2020 年12 月18 日擠壓機例行檢修時進行更換，至2021 年3 月7 日發現斷裂失效時共使用1742 h（約73 d），替代安裝使用的安全銷于2021 年3 月7 日更換，至發生斷裂失效時使用時間較短，僅194 h（約8 d），發生斷裂的兩批次安全銷服役時間與使用單位正常的每年更換一次安全銷的使用周期相比均大大縮短，嚴重影響了齒輪泵的正常使用。

擠壓機齒輪泵的型號為GP500TM-（L），電機功率為1800 kW，轉速0～1275 r/min，額定電流374 A，其作用是將熔融后的物料增壓，使其通過換網器、模孔。電機聯軸器安全銷安裝在電機與減速箱之間的聯軸器上，作用是對電機及減速箱進行保護。

2 安全銷檢測情況

2.1 宏觀檢查

安全銷長68 mm，外徑24 mm，開孔孔徑12 mm。原廠供貨安全銷斷裂表面，外觀尺寸未見明顯變化，安全銷斷面凸起側在臺階部位發現一處明顯的裂紋缺陷，裂紋起始位置逆時針方向有一道道的撕裂臺階（快速斷裂區），斷面比較干凈、有金屬光澤，未發現有腐蝕現象（圖1）。由于安全銷斷裂后繼續運動，兩側斷口相互摩擦，斷面凸出部分表面特征已經損失。安全銷斷面凹陷側能觀察到較明顯起裂源位置、擴展區和快速斷裂區（撕裂臺階部位），呈現疲勞斷裂特征，疲勞源（起裂源）位于安全銷機加工臺階邊緣位置，該位置機加工痕跡有少量不連續，也是應力集中承受最大應力的部位。

圖1 原廠安全銷斷面

機械廠代工生產安全銷斷面較為齊平，表面比較干凈，斷面有金屬光澤，表面未見腐蝕現象，尺寸未見變化，無塑性變形，臺階部位發現多處裂紋缺陷，能觀察到比較明顯的唇口，斷裂后凸出部分由于摩擦表面特征已經損失，斷面凹陷側內凹部位表面能觀察到許多閃閃發光的呈結晶狀的小表面，整個斷面呈現脆性斷裂的特征（圖2）。

圖2 機械廠代工安全銷斷面

2.2 工藝情況檢查

原廠安全銷斷裂后，用戶采用機械廠代工生產的安全銷安裝并于2021 年3 月7 日投用，至16 日擠壓機停機前，一直在生產牌號為K8003 的產品，生產負荷34 t/h，為正常生產狀況，檢查齒輪泵電流趨勢，未發現異常波動。停機前該電流一直維持在220 A 左右，遠低于齒輪泵的額定電流374 A（圖3）。

圖3 停機前擠壓機主電機電流趨勢

2020 年12 月18 日例行檢修，更換原廠供貨該安全銷之后，擠壓機一直在生產低熔指產品T4401（2020 年12 月18 日至2021年3 月7 日），使用時間為73 d，各參數都在正常范圍內，其中齒輪泵的電流值在293 A 左右，高于更換機械廠代工安全銷生產K8003 產品時齒輪泵的工作電流，也遠低于齒輪泵的額定電流374 A（圖4）。

圖4 停機前齒輪泵電機電流趨勢

2.2 硬度試驗

根據GB/T 4340.1—2009[1]對檢測對象取樣并進行維氏硬度試驗，經分析原廠供貨安全銷試樣硬度為359 HV10，換算為布氏硬度為346 HB，機械代工生產安全銷硬度為251 HV10，換算為布氏硬度為240 HB。

2.3 金相試驗

根據GB/T 13298—2015[2]標準對檢測對象取樣并進行金相試驗，經分析原廠供貨安全銷金相組織為回火索氏體，未見有二次裂紋；機械廠代工生產安全銷金相組織為“鐵素體+貝氏體”，部分鐵素體呈塊狀（圖5）。

圖5 安全銷金相檢測

2.4 拉伸試驗

原廠安全銷材料為SCM440（相當于國產排號42CrMo），機械廠代工生產安全銷材料為42CrMo，根據GB/T 228.1—2010[3]標準在安全銷上取樣并進行拉伸試驗（表1）。由表1 可知，原廠供貨的安全銷拉伸試驗結果滿足GB/T 3077—2015《合金結構鋼》[4]中對42CrMo材料的要求；機械廠代工生產的安全銷拉伸試驗結果中塑性指標能夠滿足標準要求，但強度指標低于42CrMo 材料的要求。

表1 安全銷拉伸試驗結果

3 綜合分析

通過工藝情況檢查發現，在擠壓機在兩次停機之前生產不同的產品時，齒輪泵的工作電流分別為293 A、220 A左右，均低于齒輪泵的額定電流374 A，距離擠壓機滿載工作還有一定空間，因此排除擠壓機過載因素可能導致的安全銷斷裂失效。

通過安全銷外觀檢查分析可知原廠安全銷斷裂失效為疲勞斷裂失效，機械廠代工生產安全銷斷裂失效為脆性斷裂失效。

由金相試驗檢驗分析結果可知，機械廠代工生產的全銷熱處理工藝不當，形成的組織混亂，成分不均勻，具體組織為“鐵素體+貝氏體”組織，部分鐵素體呈塊狀，該組織力學性能中的屈服強度和抗拉強度對比原廠供貨安全銷分別下降了23.8%、18.5%，對比標準規定的下限數據分別下降了9.4%、10.0%，不能滿足標準的要求，強度存在明顯的不足。宏觀檢查發現的多處裂紋缺陷，有可能是安全銷組織不均勻性導致的微裂紋在持續的載荷下發展所致，裂紋缺陷大大降低安全銷的承載能力，這使得代工生產的安全銷在使用過程中持續載荷下直接發生了脆性斷裂。

原廠供貨安全銷組織為相對正常的回火索氏體組織，力學性能也滿足標準要求，但是安全銷硬度為346 HB，超過了GB/T 3077—2015 標準中“硬度值應不超過229 HB”的要求。一般情況下，硬度越高材料韌性相對越差；原廠安全銷在使用過程中承受兩側軸傳遞過來的載荷，同時承受彎矩和扭轉力，形成循環加載，形成疲勞工況；宏觀檢查時發現，在機加工臺階根部存在機加工缺陷，其成為斷裂發生的起裂源，在疲勞的作用下起裂源發展成為裂紋并逐漸長大，達到臨界尺寸后進入擴展階段，當剩余橫截面積不足以承受剪切力時最終發生疲勞斷裂。

4 結論

（1）原廠供貨安全銷斷裂失效為疲勞斷裂失效，斷裂原因是以機加工缺陷為裂紋源，在疲勞載荷作用下發生的疲勞斷裂開裂。

（2）機械廠代工生產的安全銷斷裂失效為脆性斷裂失效，斷裂原因是材料的力學性能達不實際工況的使用要求。

5 建議

（1）提高安全銷生產制造時的加工質量及精度，避免機加工缺陷的產生。

（2）嚴格控制安全銷生產制造時的熱處理工藝，保證安全銷供貨狀態的組織性能能夠滿足用戶的使用要求。

（3）加強日常對聯動軸的震動監測，實時掌握聯動軸及安全銷的工作狀態。

（4）嚴格執行企業規定的檢維修任務，杜絕失修現象。