精對(duì)苯二甲酸生產(chǎn)裝置中TA2螺柱的斷裂原因

姜 勇，鞏建鳴，湯鵬杰，余 果

（南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，南京211816）

0 引 言

精對(duì)苯二甲酸（PTA）生產(chǎn)線氧化工段的現(xiàn)場(chǎng)工況最為苛刻［1］，工作介質(zhì)中含有腐蝕性很強(qiáng)的對(duì)苯二甲酸、醋酸、溴離子等，且溫度高于135℃，因此，氧化工段的結(jié)晶器內(nèi)襯、攪拌器以及與攪拌器聯(lián)接的螺柱用材料均選用鈦合金［2-4］，這是因?yàn)殁伜辖鹁哂辛己玫哪透g性能［5-8］。在實(shí)際生產(chǎn)中，鈦合金零部件也經(jīng)常發(fā)生疲勞斷裂，嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全，但關(guān)于這方面的失效分析報(bào)道尚不多見［9］。

某廠PTA生產(chǎn)線氧化工段結(jié)晶單元的結(jié)晶器攪拌器上用以聯(lián)接上、下半軸組件的螺柱，在2a時(shí)間里發(fā)生了數(shù)起斷裂事故。這些螺柱規(guī)格均為M30，材料為TA2鈦合金，最長使用時(shí)間為4.5a，有的僅幾個(gè)月。結(jié)晶器內(nèi)部工作壓力約為1MPa，攪拌器轉(zhuǎn)速均為53r·min-1。這幾起事故中螺柱的斷裂情況基本相同，為查明斷裂原因，作者對(duì)其中一起事故中的斷裂螺柱進(jìn)行了失效分析。

1 理化檢驗(yàn)與結(jié)果

1.1 斷裂螺柱的宏觀形貌

由圖1（a）可以看出，事故發(fā)生后，仍有3個(gè)螺柱連在法蘭上，且均發(fā)生了較大變形，變形方向與攪拌軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致。仔細(xì)觀察法蘭孔可以發(fā)現(xiàn)，在10個(gè)法蘭孔中，左側(cè)的5個(gè)變形嚴(yán)重，且有擠壓痕跡，而右側(cè)的5個(gè)則幾乎沒有變形，如圖1（b）所示。由于事發(fā)突然，急于恢復(fù)生產(chǎn)，在搶修現(xiàn)場(chǎng)遺失了2個(gè)斷裂的螺柱。保留下來的8個(gè)螺柱的斷口上均覆蓋有物料，其中4個(gè)螺柱斷口具有較明顯的宏觀疲勞開裂特征，疲勞源區(qū)均位于螺紋牙底，選取其中最具代表性、斷口保存也最完整的2＃螺柱（與2＃法蘭孔對(duì)應(yīng)）進(jìn)行研究，其宏觀斷口形貌如圖1（c）所示；另外4個(gè)螺柱的斷口主要表現(xiàn)為新鮮的韌性斷口，選取與7＃法蘭孔對(duì)應(yīng)的7＃螺柱進(jìn)行分析，其宏觀斷口形貌如圖1（d）所示。根據(jù)螺柱斷口特征以及法蘭孔的變形情況可初步判斷，在服役過程中，與2＃～5＃法蘭孔對(duì)應(yīng)的螺柱中的一個(gè)或幾個(gè)首先開裂，失去承載能力，致使剩余的螺柱無法承受巨大的工作載荷而變形，最終過載斷裂。在變形以及斷裂過程中，螺柱不斷擠壓摩擦法蘭孔，使其發(fā)生嚴(yán)重變形。

1.2 斷口的微觀形貌

2＃螺柱斷口疲勞源區(qū)被腐蝕產(chǎn)物覆蓋（根據(jù)EDS分析結(jié)果可知腐蝕產(chǎn)物主要為氧化物），無法找到明顯的疲勞源，如圖2（a）所示，但在其疲勞擴(kuò)展區(qū)中觀察到了如圖2（b）中箭頭所示的疲勞條帶。

7＃螺柱裂紋啟于螺紋根部，擴(kuò)展區(qū)表現(xiàn)為撕裂棱特征并存在二次裂紋，如圖2（c）所示，但擴(kuò)展區(qū)的范圍很小，斷口的絕大部分面積為瞬斷區(qū)，微觀上表現(xiàn)為韌窩特征，如圖2（d）所示。

斷口的微觀形貌表明，2＃螺柱為疲勞斷裂，7＃螺柱為快速過載斷裂。

1.3 斷口上腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)成分

從圖3中可以看出，2＃和7＃螺柱斷口上均含有一定數(shù)量的氧和溴元素。眾所周知，鈦優(yōu)良的耐腐蝕性能是由于其與氧具有很強(qiáng)的親和力，在表面可形成一層穩(wěn)定且致密的氧化膜，從而阻止腐蝕性介質(zhì)向金屬內(nèi)部侵蝕。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，為了使結(jié)晶器內(nèi)尚未氧化的物料進(jìn)一步氧化，通常會(huì)通入少量空氣進(jìn)行二次氧化。因此結(jié)晶器中的鈦合金構(gòu)件處于氧化性的環(huán)境中，可以很好地抵抗溴離子腐蝕，故腐蝕產(chǎn)物中的溴元素主要源于附著在斷口上的物料。

1.4 螺柱的顯微組織和螺紋加工方法

該法蘭上螺柱的螺紋要求為滾壓螺紋，因此在分析螺柱顯微組織的同時(shí)也對(duì)螺紋的加工方法進(jìn)行了檢查。

由圖4可見，2＃和7＃螺柱的組織類似，均為等軸的α相＋類似鋸齒狀的α片狀組織，局部殘留有少量細(xì)小顆粒狀β相。

由圖5可見，2＃和7＃螺柱的螺紋牙底部均存在明顯的擠壓變形?？梢源_定，該螺紋為滾壓螺紋。用滾壓的方法加工螺紋會(huì)在螺紋牙上形成殘余壓應(yīng)力，提高螺柱的承載能力及抗疲勞性能［10］，從而提高其使用安全性。

1.5 力學(xué)性能

為減少螺柱斷裂發(fā)生的變形對(duì)其力學(xué)性能的影響，拉伸試樣和沖擊試樣均取自螺柱上遠(yuǎn)離斷口的位置。

從表1中可以看出，這5個(gè)螺柱的力學(xué)性能差別較大，其中3＃螺柱和7＃螺柱的抗拉強(qiáng)度甚至低于GB/T 2965-1996要求的標(biāo)準(zhǔn)值，強(qiáng)度偏低將直接影響它的疲勞性能。

圖1 斷裂螺柱的宏觀形貌Fig.1 Macrographs of fracture threaded studs：（a）fractured threaded studs；（b）deformed flange holes；（c）2＃fatigue fracture stud and（d）7＃ overloaded fracture stud

圖2 螺柱斷口的SEM形貌Fig.2 SEM morphology of stud fracture：（a）fatigue origin area of 2＃ stud；（b）fatigue propagation area of 2＃ stud；（c）crack propagation area of 7＃ stud and（d）final rupture area of 7＃ stud

圖3 2＃和7＃螺柱斷口上腐蝕產(chǎn)物的SEM形貌及EDS分析結(jié)果Fig.3 SEM morphology and EDS analysis results of corrosion products on fracture surface of 2＃ and 7＃ studs：（a）2＃ stud，SEM morphology；（b）2＃stud，EDS analysis result；（c）7＃stud，SEM morphology and（d）7＃stud，EDS analysis result

圖4 2＃和7＃螺柱的顯微組織Fig.4 Microstructure of 2＃stud（a）and 7＃stud（b）

圖5 2＃和7＃螺紋螺柱牙底的顯微組織Fig.5 Microstructure of roots of threads：（a）2＃ stud and（b）7＃ stud

表1 螺柱的力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of studs

2 斷裂原因分析

根據(jù)以上分析結(jié)果可知，首先斷裂的螺柱為典型的疲勞斷裂。為查明疲勞載荷來源，與使用單位溝通后了解到，該攪拌軸的軸承存在偏磨現(xiàn)象，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)攪拌軸的軸線與筒體的軸線之間會(huì)出現(xiàn)小幅擺動(dòng)，從而導(dǎo)致聯(lián)接法蘭的螺柱承受額外的疲勞載荷。

一般來說，材料的強(qiáng)度越低，越容易發(fā)生早期疲勞斷裂，在疲勞載荷作用下，強(qiáng)度最低的3＃螺柱首先失效，從而導(dǎo)致其它螺柱的受力情況不斷惡化，依次發(fā)生疲勞斷裂，直至剩余的螺柱無法承受工作載荷而最終發(fā)生過載斷裂。

3 結(jié)論與建議

該結(jié)晶器內(nèi)攪拌軸的軸承發(fā)生偏磨，導(dǎo)致攪拌軸發(fā)生擺動(dòng)，引起螺柱受到額外的疲勞載荷，是其在很短的時(shí)間內(nèi)就發(fā)生疲勞斷裂的主要原因；同時(shí)這些螺柱的強(qiáng)度相差較大，強(qiáng)度低的螺柱先斷裂，剩余螺柱受力情況不斷惡化是重要的促進(jìn)因素，最終導(dǎo)致所有聯(lián)接螺柱發(fā)生斷裂。

在強(qiáng)腐蝕性環(huán)境中使用的零部件，除了要考慮腐蝕問題以外，工作時(shí)設(shè)備的受力情況也要加以關(guān)注。設(shè)備的安裝或者維修都要嚴(yán)格遵守操作規(guī)范，提高安裝精度，減少失效的誘發(fā)因素。另外，采購力學(xué)性能穩(wěn)定的零部件，也是設(shè)備安全長周期運(yùn)行的保證。

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