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分享↟↟│✘:反應釜攪拌軸斷裂原因

2022-09-13 10:27:45 

摘 要:某反應釜的自吸式攪拌軸在執行過程中發生斷裂,採用宏觀觀察·│◕、化學成分分析·│◕、剪應 力校核·│◕、金相檢驗·│◕、掃描電鏡分析·│◕、能譜分析及有限元模擬等方法對斷裂原因進行研究◕│╃✘。結果表明: 螺孔變形·│◕、角焊縫處材料敏化,以及結構上的應力集中是該攪拌軸發生疲勞斷裂的主要原因◕│╃✘。

關鍵詞:反應釜;攪拌軸;疲勞斷裂;敏化;有限元模擬

中圖分類號:TG115.5 文獻標誌碼:B 文章編號:1001-4012(2022)08-0065-04


攪拌裝置在石油·│◕、化工·│◕、食品·│◕、醫藥等行業中應 用廣泛,反應釜是化工生產中應用最廣泛的反應器 之一◕│╃✘。攪拌軸是反應釜中的核心部件,其在使用中 經常發生斷裂,不僅會造成經濟損失,還會導致安全 事故[1-2]◕│╃✘。

某反應釜的攪拌軸在使用過程中突發斷裂,該 反應釜為三類壓力容器,屬於高風險特種裝置◕│╃✘。反 應釜的整 體 結 構 如 圖 1 所 示,釜 體 的 工 作 壓 力 為 1.6MPa,工作 溫 度 為 120 ℃,罐 體 材 料 為 Q345R 鋼,服役時間為6a◕│╃✘。該攪拌軸的區域性結構如圖2所 示,攪拌軸長度為2.6 m,為懸臂軸,下方為彎葉圓 盤渦輪槳◕│╃✘。

攪拌軸與聯軸器由均勻分佈的8個螺栓剛性連線,電機功率為50kW,轉速為400r·min -1;軸的材 料為06Cr19Ni10 鋼,軸 的 外 徑 為 96 mm,內 徑 為 76mm,壁厚為10mm,進氣孔直徑為12mm,為雙 排孔,每排均勻分佈6個進氣孔;攪拌軸的服役時間 為20個月◕│╃✘。斷裂發生在攪拌軸與角焊縫交界處及第一排進氣孔處◕│╃✘。筆者採用理化檢驗和有限元分析 等方法對該反應釜攪拌軸的斷裂原因進行了研究◕│╃✘。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

現場發現攪拌軸和攪拌槳無變形,斷裂發生在 攪拌軸上,呈臺階狀斷裂◕│╃✘。攪拌軸斷口宏觀形貌如 圖3所示,由圖3可知,在裂紋源1處可見典型的疲 勞貝紋◕│╃✘。軸與斷口吻合較好,斷口平整,無明顯塑性 變形,2/3斷口在角焊縫與軸的交界處,1/3斷口在 第一排進氣孔處,瞬斷區位於角焊縫與管孔過渡區, 面積較小◕│╃✘。進氣孔外壁有45°倒角,進氣孔內壁未 進行倒角處理,在進氣孔內壁有肉眼可見的水平方 向裂紋,並由內壁向外壁擴充套件◕│╃✘。

將法蘭拆卸清洗後,發現8個螺孔均已變形,呈 橢圓形,法蘭孔及法蘭截面宏觀形貌如圖4a)所示, 單孔直徑的最大值和最小值平均差為1.4mm,這樣 同軸度誤差增大,會導致轉動過程中產生振動和附 加彎曲載荷◕│╃✘。法蘭的剖面如圖4b)所示,連線方式 為攪拌軸插入法蘭後封底焊,法蘭上開坡口,利用多道焊的方式將攪拌軸與角焊縫連線,焊後進行機 械加工,角焊縫與攪拌軸呈135°◕│╃✘。

1.2 化學成分分析

依據 GB/T11170-2008《不鏽鋼 多元素含量 的測定 火花放電原子發射光譜法(常規法)》,用直 讀光譜儀對攪拌軸·✘▩、角焊縫·✘▩、法蘭的材料進行化學成 分分析,結果如表1所示,其化學成分均符合 GB/T 20878-2007《不鏽鋼和耐熱鋼 牌號及化學成分》 對06Cr19Ni10鋼的要求·│₪☁•。

1.3 剪應力校核

假設攪拌軸轉動時不存在彎矩,純扭轉執行,對 攪拌軸的進氣孔處進行剪應力校核[3]·│₪☁•。

按 最 大 攪 拌 軸 的 功 率 計 算 扭 矩 Mmax 為 1194N·m,攪拌軸內·✘▩、外徑之比α 為0.792,則最大 剪應力τmax 為11.336 MPa·│₪☁•。考慮攪拌軸上有6個直徑為12mm 的進氣孔,乘以修正值1.36,則開孔 截面的實際最大剪應力τmax 約為15.42MPa·│₪☁•。該材 料的許用剪應力為30 MPa,最大剪應力τmax 小於 許用剪應力,因此攪拌軸的剪應力校核滿足要求·│₪☁•。

1.4 金相檢驗

依據 GB/T4334-2020 《金 屬 和 合 金 的 腐 蝕奧氏體及鐵素體-奧氏體(雙相)不鏽鋼晶間腐蝕試 驗方法》中的10%(質量分數)草酸浸蝕法進行金相 檢驗,對離焊縫19mm 處攪拌軸的內外壁進行金相 檢驗,其顯微組織如圖5所示,均為奧氏體組織,未 發生腐蝕·│₪☁•。

對攪拌軸 角 焊 縫 處 進 行 金 相 檢 驗,攪 拌 軸 角 焊縫處微觀形貌如圖6所示,由圖6可知,角焊縫 與攪拌軸交 界 處 存 在 微 裂 紋,裂 紋 方 向 與 斷 口 方 向一致·│₪☁•。

角焊縫處攪拌軸內·✘▩、外壁的顯微組織如圖7所 示,由圖7可知,攪拌軸焊縫側2/3壁厚發生敏化, 外壁晶粒明顯增大,則其力學效能下降·│₪☁•。