高頻振動篩破壞分析研究

陳長冰,薛雨晴,王云龍,徐可凡

(合肥學院 城市建設與交通學院,安徽 合肥 230601)

0 引言

高頻振動篩主要用于煤礦的脫水、脫泥、脫介,是煤泥脫水作業的專用振動篩,它廣泛用于選煤、電力、選礦、制鹽、化工等行業中的細粒度干式、濕式篩分煤泥回收,脫泥回收等工藝中。高頻振動篩由激振器、礦漿分配器、篩框、機架、懸掛彈簧、支撐裝置、電動機、篩箱和篩網等部件組成。激振器采用筒體式偏心軸及偏塊調節振幅,激振器主軸由電動機帶動三角皮帶進行回轉,由于激振器上不平衡重物的離心慣性力作用,使篩箱獲振動[1-2]。

在高頻振動篩工作時,整個箱體都在振動,物料對振動篩箱體的振動力是比較大的[3],尤其是底板、側板焊接處受力很強,因此在焊接處應該滿足質量要求。否則,振動會導致該振動篩出現焊縫處的裂紋及開裂,影響振動篩的正常使用,造成過篩物料質量不達標,增加成本等問題。

隨著高頻振動篩尺寸的大型化、大處理量和高效率的發展,其共振物料質量及激振力也在不斷增大,同時篩分物料對篩箱有更強的沖擊力。高頻振動篩長時間連續服役,可能會由于在設計中對篩機的本身了解不夠,在使用中現場維護不及時等,出現多種故障同時影響篩分效果[3-4]。高頻振動篩的常見裝置缺陷包括大梁斷裂、側板開裂、支撐梁斷裂、軸承損壞、篩板松動、激振器故障等[5-9]。

對某企業進行實地調研,發現該廠內的一臺雙層香蕉型高頻振動篩側板焊接處開裂,影響篩分效果,造成一定的安全隱患。本文以振動篩篩體構件發生開裂、開焊等質量問題為研究對象,通過技術手段找出篩體構件發生開裂、開焊等產生的原因。

1 現場勘察

某企業使用的一臺雙層香蕉型高頻振動篩,圖1為該高頻振動篩篩體。

圖1 高頻振動篩篩體

現場勘察到振動篩篩體左右側板均在距水平面方向的第二根筋板約90cm處,發現筋向上方向有明顯裂紋長度為30mm、板上與筋對稱方向裂紋長度各為50mm(總長約100mm)。圖2為左側板裂紋所處位置,圖3可見左側板上裂紋長度,圖4右側板裂紋所處位置、圖5顯示右側板裂紋長度。

圖2 左側板裂紋位置

圖3 左側板上裂紋長度

圖4 右側板裂紋位置

圖5 右側板裂紋長度

根據以上觀察該振動篩篩體左右側板均在距水平面方向的第二根筋板約90cm處產生了裂紋,查閱篩箱圖紙發現此處為驅動梁安裝處,是設備的最大受力點,如果焊縫不符合質量要求的話,此處最易發生斷裂。用吊車將左側板吊起,觀察到側板背面裂紋已穿透,如圖6所示左側板背面有明顯的貫穿裂縫。

圖6 左側板背面裂紋已穿透

對該高頻振動篩篩體左側板裂紋處進行了現場取樣,如圖7所示左側板裂紋處取樣部位。對左側板裂紋處取樣的筋、板以及焊縫的宏觀、微觀、化學、力學性能進行了檢測分析。

圖7 左側板裂紋處取樣部位

2 筋板化學成分分析

對Q345B筋及Q345R板鋼板原料進行成分分析,Q345B筋化學成分分析結果見表1,Q345R板化學成分分析結果見表2。

表1 Q345B筋化學成分分析結果(%)

表2 Q345R板化學成分分析結果(%)

將表1和表2所檢測元素百分含量(質量份數)與標準比對,元素含量都符合GB/T1591-2018《低合金高強度結構鋼》標準及GB/T713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》標準中有關化學成分范圍的規定[10-11]。結果表明篩體左側鋼板原料的化學成分含量是合格的,不是造成左側板裂紋產生的主要原因。

3 焊縫宏觀檢查

在Q345B筋與Q345R板的T接焊縫結合部位出現裂縫。觀察發現T接焊縫為兩側角焊縫,中間部位未焊透(圖8箭頭1所指區域);且在一側的角焊縫部位可見明顯弧狀一次臺階及二次臺階(圖9 箭頭1所指處),一次臺階應為疲勞源區,二次臺階應為疲勞擴展區。

圖8 T型焊縫1

圖9 T型焊縫2

同時發現Q345R板發生彎曲疲勞擴展的痕跡(圖8、圖9箭頭2所指處)。依據斷裂的擴展形貌特征,可判斷開裂起源于T接焊縫的角焊縫部位。觀察開裂斷口附近無縮頸現象,邊緣無剪切唇,故宏觀顯現為彎曲疲勞脆性斷口特征。

4 金相檢驗

用Q345B筋與Q345R板的T接焊縫結合部位制備金相試樣。試樣在未侵蝕情況下進行顯微組織觀察,試塊中的夾雜物含量按標準GB/T10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定-標準評級圖顯微檢驗法》評定夾雜物為:硫化物類A0級、氧化鋁類B0級、硅酸鹽類C0級、環狀氧化物類D1.5級,故Q345B筋與Q345R板夾雜物級別較低[12]。

試樣經4%硝酸酒精侵蝕后,觀察斷裂T接焊縫區域組織發現,熔合線(圖10箭頭1所指處)右側為焊縫區、左側為熱影響區(圖10箭頭2所指處),對圖10放大200倍后觀察,焊縫區組織為‘柱狀晶鐵素體+細珠光體’(圖11);焊縫熱影響區放大500倍后,發現其組織為‘魏氏組織鐵素體+細珠光體’(圖12、圖13);而焊縫正火區組織為細小的‘鐵素體+珠光體’(圖14),母材組織為‘鐵素體+珠光體’(圖15)。

圖10 焊縫熔合線形貌(100倍)

圖11 焊縫區組織(200倍)

圖12 焊縫熱影響區組織(500倍)

圖13 焊縫熱影響區組織(500倍)

圖15 母材組織(500倍)

根據振動篩的宏觀檢查與金相檢驗分析,Q345B筋及Q345R板通過T接焊接組成設備結構件斷裂表現為彎曲疲勞脆性斷裂特征,且觀察到裂紋起源于焊縫區域。Q345B筋及Q345R板通過T接的焊縫熱影響區出現的魏氏組織鐵素體(粗大針狀鐵素體),降低了鋼的塑性、沖擊韌性及其疲勞強度,進而減低Q345B筋及Q345R板焊接組成設備結構件的有效承載強度,以致其在承受彎曲(脈動)載荷時,導致設備結構件應力集中區魏氏組織鐵素體組織處起裂,然后裂紋漸進疲勞擴展直至完全破斷。

5 力學試驗檢測

用Q345B筋與Q345R板的鋼板原料分別制備試件進行拉伸性能試驗,實測結果見表3、表4。

表3 Q345B筋拉伸性能

表4 Q345R板拉伸性能

所檢項目的拉伸性能試驗值與標準值比對,表明其力學性能分別符合GB/T1591-2018 《低合金高強度結構鋼》標準及GB/T713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》標準中規定的要求[10-11]。

同時對Q345B筋與Q345R板的T接焊縫結合部位進行硬度分布測定,結果見表5。

表5 Q345R板-Q345B筋T接焊縫

由表5可知,Q345B筋與Q345R板的T接焊縫結合部位的焊縫區及熱影響區的硬度HV明顯高于母材的硬度HV。

據力學試驗檢測顯示,所檢Q345B筋與Q345R板鋼板原料的拉伸性能屬標準規定范圍,而T接焊縫結合部位的焊縫區及熱影響區的硬度HV明顯高于母材的硬度HV。這將會導致焊縫處開裂現象發生。

6 結論

(1) 對某企業一臺雙層香蕉型高頻振動篩現場勘察,發現篩體左右側板焊接處均有貫穿裂縫,此處為驅動梁安裝處,是設備的最大受力點位置。

(2) 在高頻振動篩篩體左側板裂紋處進行了現場取樣,對取樣的筋、板以及焊縫的宏觀、微觀、化學、力學性能進行了檢測分析。分析表明高頻篩篩體的Q345B筋及Q345R板所選用的鋼板為符合圖紙要求的合格原材料,側板焊接件的焊縫熱影響區出現魏氏組織鐵素體(粗大針狀鐵素體),是造成其承載時在高頻運動工況下,發生開裂的主要原因。

(3) 建議改進Q345B筋及Q345R板通過焊接組成設備結構件的焊接工藝,調整焊縫組織,提高焊接質量。