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        精對苯二甲酸生產(chǎn)裝置中TA2螺柱的斷裂原因

        2015-12-09 09:07:46鞏建鳴湯鵬杰
        機(jī)械工程材料 2015年3期
        關(guān)鍵詞:變形分析

        姜 勇,鞏建鳴,湯鵬杰,余 果

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

        0 引 言

        精對苯二甲酸(PTA)生產(chǎn)線氧化工段的現(xiàn)場工況最為苛刻[1],工作介質(zhì)中含有腐蝕性很強(qiáng)的對苯二甲酸、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],這是因為鈦合金具有良好的耐腐蝕性能[5-8]。在實際生產(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,最長使用時間為4.5a,有的僅幾個月。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)動方向一致。仔細(xì)觀察法蘭孔可以發(fā)現(xiàn),在10個法蘭孔中,左側(cè)的5個變形嚴(yán)重,且有擠壓痕跡,而右側(cè)的5個則幾乎沒有變形,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)場遺失了2個斷裂的螺柱。保留下來的8個螺柱的斷口上均覆蓋有物料,其中4個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#法蘭孔對應(yīng))進(jìn)行研究,其宏觀斷口形貌如圖1(c)所示;另外4個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?!?#法蘭孔對應(yīng)的螺柱中的一個或幾個首先開裂,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也對螺紋的加工方法進(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)動時攪拌軸的軸線與筒體的軸線之間會出現(xiàn)小幅擺動,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,引起螺柱受到額外的疲勞載荷,是其在很短的時間內(nèi)就發(fā)生疲勞斷裂的主要原因;同時這些螺柱的強(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。

        [1]余存燁.PTA裝置用鈦現(xiàn)狀與演變[J].鈦工業(yè)進(jìn)展,2000(3):32-34.

        [2]余存燁.PTA裝置腐蝕與防護(hù)分析[J].化工設(shè)備與管道,2000,37(4):54-58.

        [3]馬秋林.PTA裝置中不銹鋼材料的選用及分析[J].合成纖維工業(yè),2002,25(3):43-46.

        [4]朱玉斌,李中奎,周廉.稀有金屬材料的耐蝕性及其在化工領(lǐng)域的應(yīng)用[J].稀有金屬快報,2004,23(1):25-29.

        [5]余存燁.石化鈦設(shè)備腐蝕實例[J].腐蝕與防護(hù),2008,29(4):15-19.

        [6]蔣偉,趙金平,龔敏.鈦及鈦合金在防腐應(yīng)用中的研究現(xiàn)狀[J].輕金屬,2007,29(9):59-63.

        [7]余存燁.鈦制化工設(shè)備特殊腐蝕實例及防止對策[J].化工設(shè)備與防腐蝕,2002,5(1):63-66.

        [8]余存燁.耐蝕鈦合金的發(fā)展[J].鈦工業(yè)進(jìn)展,2003(1):12-20.

        [9]劉仁宇,何宇廷,杜金強(qiáng),等.基于有限元建模的某飛機(jī)連接件螺栓頭斷裂分析[J].機(jī)械工程材料,2010,34(8):79-82.

        [10]溫愛玲,王生武,楊軍永,等.采用復(fù)合高能噴丸提高工業(yè)純鈦的疲勞性能[J].機(jī)械工程材料,2010,34(1):55-57.

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