12m3耙式真空干燥機(jī)軸開(kāi)裂失效機(jī)理分析

謝一麟，熊立斌，孟若愚，區(qū)炳顯

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 無(wú)錫 214174）

1 基本情況

某公司此類(lèi)型多臺(tái)干燥機(jī)耙干軸在運(yùn)行2年左右開(kāi)始發(fā)現(xiàn)裂紋，3年左右出現(xiàn)斷裂，開(kāi)裂集中出現(xiàn)在軸的中段，靠近中間進(jìn)料口，橫向（環(huán)向）開(kāi)裂。圖1中為失效攪拌軸拼圖，該部件為1臺(tái)12m3耙式真空干燥機(jī)的攪拌主軸。主軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率為37Kw，主軸轉(zhuǎn)速為7r/Min，設(shè)計(jì)設(shè)備內(nèi)工作溫度45℃，介質(zhì)是樹(shù)脂、甲醇。耙干軸整體長(zhǎng)度為7.4m。中間耙齒段為長(zhǎng)約6m，外徑為220mm，壁厚為40mm的S30400不銹鋼件，兩端部分為實(shí)心鍛件。本次失效軸裂紋有12處，裂穿8處，裂穿處內(nèi)壁可見(jiàn)介質(zhì)滲出，在內(nèi)表面形成白色凸起，見(jiàn)圖2。最嚴(yán)重裂紋距電機(jī)軸端面4.2m處，在從電機(jī)軸端面開(kāi)始的第8和第9齒之間（每排共13齒）。耙齒及軸上的白色物質(zhì)為介質(zhì)殘留。

圖1 失效攪拌軸

圖2 軸上部分裂紋及內(nèi)壁滲出物

2 斷口分析

對(duì)斷裂軸進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋均垂直于軸線(xiàn)方向，平直無(wú)分叉，全部位于耙齒與軸的長(zhǎng)方形焊縫的頂弧附近，見(jiàn)圖3。相鄰兩個(gè)疲勞裂紋的間距約為50mm，末端僅相距30mm左右，但仍連而不斷，且未見(jiàn)明顯塑性變形，說(shuō)明軸所受應(yīng)力水平并不高。但隨著疲勞裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展，二者將匯合并出現(xiàn)大臺(tái)階。結(jié)合內(nèi)壁介質(zhì)殘留，發(fā)現(xiàn)部分裂紋仍未擴(kuò)展至內(nèi)壁表面。

圖3 裂紋與耙齒焊縫的位置特征

打開(kāi)部分裂紋進(jìn)行清洗并觀察，發(fā)現(xiàn)斷口上均有明顯的疲勞弧線(xiàn)。攪拌軸的主斷口如圖4所示，通過(guò)對(duì)疲勞弧線(xiàn)、斷裂放射線(xiàn)和疲勞臺(tái)階的觀察，確定裂紋源位于軸的外表面，且具有多源性，同時(shí)說(shuō)明裂紋源處存在較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中。圖5中斷口上疲勞源區(qū)同樣存在多條疲勞臺(tái)階，圖6中斷口上也存在明顯臺(tái)階。結(jié)合圖3中疲勞源區(qū)軸表面觀察，發(fā)現(xiàn)疲勞源均位于軸外表面上的耙齒與軸的長(zhǎng)方形焊縫的頂弧外側(cè)，具體見(jiàn)圖7。觀察以上3處斷口可知攪拌軸的失效中疲勞源的形成與耙齒焊縫處形成的應(yīng)力集中有關(guān)。

圖4 攪拌軸主斷口

圖5 斷口

圖6 斷口

圖7 疲勞源與耙齒焊縫的位置關(guān)系

疲勞源位于軸外表面，向軸內(nèi)側(cè)擴(kuò)展，疲勞源區(qū)可見(jiàn)多處疲勞臺(tái)階?？梢?jiàn)擴(kuò)展區(qū)至少占軸截面的一半。圖4左下角的火焰切割痕跡是設(shè)備出現(xiàn)失效后，為方便從筒體內(nèi)取出造成的破壞。

疲勞源分布在焊趾上（紅色方框內(nèi)為源區(qū)），疲勞從焊趾開(kāi)始擴(kuò)展，在擴(kuò)展過(guò)程中交匯形成疲勞臺(tái)階，如圖5中橙色箭頭所指。

圖6中紅色方框內(nèi)的凸起為耙齒焊縫的一部分，疲勞弧線(xiàn)以該焊縫為中心向軸內(nèi)層擴(kuò)展。轉(zhuǎn)換觀察角度，可以看到疲勞源位于耙齒直角焊縫的頂端，如圖7。

3 成分及力學(xué)性能分析

在失效軸件上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。其結(jié)果符合S32168成分要求（參考GB/T20878-2007），與客戶(hù)技術(shù)資料聲明的S30400有出入。

表1 軸件化學(xué)成分（wt.%）

取樣做拉伸試驗(yàn)、硬度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2,其結(jié)果符合S32168力學(xué)性能要求（參考NB/T47010-2007）。

表2 軸件力學(xué)性能

4 金相分析

在斷口附近取橫向和縱向金相試樣各一，用于觀察軸的顯微組織，在耙齒與軸的焊縫上取金相試樣一個(gè)，用于觀察焊縫顯微組織，及焊接熱量對(duì)軸母材的影響。

通過(guò)金相組織觀察可以發(fā)現(xiàn)，該不銹鋼件的顯微組織為孿晶奧氏體，晶粒粗大，晶粒尺寸在140～200um之間，參照GB/T6394-2017，對(duì)應(yīng)的晶粒度在2.7～1.7之間，見(jiàn)圖8、9。這種粗大組織對(duì)材料的力學(xué)性能有不利影響。從焊縫及熱影響區(qū)金相組織來(lái)看，熱影響區(qū)晶粒未見(jiàn)明顯增大，見(jiàn)圖10。焊接并未對(duì)熱影響區(qū)母材組織造成可見(jiàn)的有害影響。

圖8 橫向試樣 400

圖9 縱向試樣400

圖10 焊縫及熱影響區(qū)200

5 硬度檢查

靠近焊縫(下圖紅色方框位置)取樣做硬度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。遠(yuǎn)離焊縫的母材取樣做對(duì)比檢測(cè)，其硬度從內(nèi)表面到外表面，均勻測(cè)4個(gè)點(diǎn)，硬度比較均勻硬度在116～122HBW之間。表中數(shù)據(jù)反映，熱影響區(qū)硬度低于焊縫，但是高于母材。焊接對(duì)母材硬度造成了一定影響。

表3 軸件母材及焊縫硬度檢測(cè)結(jié)果（HV2）

6 結(jié)語(yǔ)

（1）該軸斷裂為旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂，疲勞源位于焊縫熱影響區(qū)附近的軸表面上。

（2）攪拌軸材質(zhì)本身晶粒粗大，影響軸的使用壽命。

（3）耙齒與軸的焊縫造成應(yīng)力集中，軸的設(shè)計(jì)校核計(jì)算宜分析是否充分考慮相應(yīng)的安全系數(shù)校核計(jì)算問(wèn)題。