12m3耙式真空干燥机轴开裂失效机理分析

2022-11-02谢一麟熊立斌孟若愚区炳显

中国设备工程 2022年20期

谢一麟，熊立斌，孟若愚，区炳显

（江苏省特种设备安全监督检验研究院，江苏无锡 214174）

1 基本情况

某公司此类型多台干燥机耙干轴在运行2年左右开始发现裂纹，3年左右出现断裂，开裂集中出现在轴的中段，靠近中间进料口，横向（环向）开裂。图1中为失效搅拌轴拼图，该部件为1台12m3耙式真空干燥机的搅拌主轴。主轴驱动电动机功率为37Kw，主轴转速为7r/Min，设计设备内工作温度45℃，介质是树脂、甲醇。耙干轴整体长度为7.4m。中间耙齿段为长约6m，外径为220mm，壁厚为40mm的S30400不锈钢件，两端部分为实心锻件。本次失效轴裂纹有12处，裂穿8处，裂穿处内壁可见介质渗出，在内表面形成白色凸起，见图2。最严重裂纹距电机轴端面4.2m处，在从电机轴端面开始的第8和第9齿之间（每排共13齿）。耙齿及轴上的白色物质为介质残留。

图1 失效搅拌轴

图2 轴上部分裂纹及内壁渗出物

2 断口分析

对断裂轴进行观察，发现裂纹均垂直于轴线方向，平直无分叉，全部位于耙齿与轴的长方形焊缝的顶弧附近，见图3。相邻两个疲劳裂纹的间距约为50mm，末端仅相距30mm左右，但仍连而不断，且未见明显塑性变形，说明轴所受应力水平并不高。但随着疲劳裂纹的继续扩展，二者将汇合并出现大台阶。结合内壁介质残留，发现部分裂纹仍未扩展至内壁表面。

图3 裂纹与耙齿焊缝的位置特征

打开部分裂纹进行清洗并观察，发现断口上均有明显的疲劳弧线。搅拌轴的主断口如图4所示，通过对疲劳弧线、断裂放射线和疲劳台阶的观察，确定裂纹源位于轴的外表面，且具有多源性，同时说明裂纹源处存在较为严重的应力集中。图5中断口上疲劳源区同样存在多条疲劳台阶，图6中断口上也存在明显台阶。结合图3中疲劳源区轴表面观察，发现疲劳源均位于轴外表面上的耙齿与轴的长方形焊缝的顶弧外侧，具体见图7。观察以上3处断口可知搅拌轴的失效中疲劳源的形成与耙齿焊缝处形成的应力集中有关。

图4 搅拌轴主断口

图5 断口

图6 断口

图7 疲劳源与耙齿焊缝的位置关系

疲劳源位于轴外表面，向轴内侧扩展，疲劳源区可见多处疲劳台阶。可见扩展区至少占轴截面的一半。图4左下角的火焰切割痕迹是设备出现失效后，为方便从筒体内取出造成的破坏。

疲劳源分布在焊趾上（红色方框内为源区），疲劳从焊趾开始扩展，在扩展过程中交汇形成疲劳台阶，如图5中橙色箭头所指。

图6中红色方框内的凸起为耙齿焊缝的一部分，疲劳弧线以该焊缝为中心向轴内层扩展。转换观察角度，可以看到疲劳源位于耙齿直角焊缝的顶端，如图7。

3 成分及力学性能分析

在失效轴件上取样进行化学成分分析，检测结果见表1。其结果符合S32168成分要求（参考GB/T20878-2007），与客户技术资料声明的S30400有出入。

表1 轴件化学成分（wt.%）

取样做拉伸试验、硬度检测，检测结果见表2,其结果符合S32168力学性能要求（参考NB/T47010-2007）。

表2 轴件力学性能

4 金相分析

在断口附近取横向和纵向金相试样各一，用于观察轴的显微组织，在耙齿与轴的焊缝上取金相试样一个，用于观察焊缝显微组织，及焊接热量对轴母材的影响。

通过金相组织观察可以发现，该不锈钢件的显微组织为孪晶奥氏体，晶粒粗大，晶粒尺寸在140～200um之间，参照GB/T6394-2017，对应的晶粒度在2.7～1.7之间，见图8、9。这种粗大组织对材料的力学性能有不利影响。从焊缝及热影响区金相组织来看，热影响区晶粒未见明显增大，见图10。焊接并未对热影响区母材组织造成可见的有害影响。