高频振动筛破坏分析研究

陈长冰,薛雨晴,王云龙,徐可凡

(合肥学院 城市建设与交通学院,安徽 合肥 230601)

0 引言

高频振动筛主要用于煤矿的脱水、脱泥、脱介,是煤泥脱水作业的专用振动筛,它广泛用于选煤、电力、选矿、制盐、化工等行业中的细粒度干式、湿式筛分煤泥回收,脱泥回收等工艺中。高频振动筛由激振器、矿浆分配器、筛框、机架、悬挂弹簧、支撑装置、电动机、筛箱和筛网等部件组成。激振器采用筒体式偏心轴及偏块调节振幅,激振器主轴由电动机带动三角皮带进行回转,由于激振器上不平衡重物的离心惯性力作用,使筛箱获振动[1-2]。

在高频振动筛工作时,整个箱体都在振动,物料对振动筛箱体的振动力是比较大的[3],尤其是底板、侧板焊接处受力很强,因此在焊接处应该满足质量要求。否则,振动会导致该振动筛出现焊缝处的裂纹及开裂,影响振动筛的正常使用,造成过筛物料质量不达标,增加成本等问题。

随着高频振动筛尺寸的大型化、大处理量和高效率的发展,其共振物料质量及激振力也在不断增大,同时筛分物料对筛箱有更强的冲击力。高频振动筛长时间连续服役,可能会由于在设计中对筛机的本身了解不够,在使用中现场维护不及时等,出现多种故障同时影响筛分效果[3-4]。高频振动筛的常见装置缺陷包括大梁断裂、侧板开裂、支撑梁断裂、轴承损坏、筛板松动、激振器故障等[5-9]。

对某企业进行实地调研,发现该厂内的一台双层香蕉型高频振动筛侧板焊接处开裂,影响筛分效果,造成一定的安全隐患。本文以振动筛筛体构件发生开裂、开焊等质量问题为研究对象,通过技术手段找出筛体构件发生开裂、开焊等产生的原因。

1 现场勘察

某企业使用的一台双层香蕉型高频振动筛,图1为该高频振动筛筛体。

图1 高频振动筛筛体

现场勘察到振动筛筛体左右侧板均在距水平面方向的第二根筋板约90cm处,发现筋向上方向有明显裂纹长度为30mm、板上与筋对称方向裂纹长度各为50mm(总长约100mm)。图2为左侧板裂纹所处位置,图3可见左侧板上裂纹长度,图4右侧板裂纹所处位置、图5显示右侧板裂纹长度。

图2 左侧板裂纹位置

图3 左侧板上裂纹长度

图4 右侧板裂纹位置

图5 右侧板裂纹长度

根据以上观察该振动筛筛体左右侧板均在距水平面方向的第二根筋板约90cm处产生了裂纹,查阅筛箱图纸发现此处为驱动梁安装处,是设备的最大受力点,如果焊缝不符合质量要求的话,此处最易发生断裂。用吊车将左侧板吊起,观察到侧板背面裂纹已穿透,如图6所示左侧板背面有明显的贯穿裂缝。

图6 左侧板背面裂纹已穿透

对该高频振动筛筛体左侧板裂纹处进行了现场取样,如图7所示左侧板裂纹处取样部位。对左侧板裂纹处取样的筋、板以及焊缝的宏观、微观、化学、力学性能进行了检测分析。

图7 左侧板裂纹处取样部位

2 筋板化学成分分析

对Q345B筋及Q345R板钢板原料进行成分分析,Q345B筋化学成分分析结果见表1,Q345R板化学成分分析结果见表2。

表1 Q345B筋化学成分分析结果(%)

表2 Q345R板化学成分分析结果(%)

将表1和表2所检测元素百分含量(质量份数)与标准比对,元素含量都符合GB/T1591-2018《低合金高强度结构钢》标准及GB/T713-2014《锅炉和压力容器用钢板》标准中有关化学成分范围的规定[10-11]。结果表明筛体左侧钢板原料的化学成分含量是合格的,不是造成左侧板裂纹产生的主要原因。

3 焊缝宏观检查

在Q345B筋与Q345R板的T接焊缝结合部位出现裂缝。观察发现T接焊缝为两侧角焊缝,中间部位未焊透(图8箭头1所指区域);且在一侧的角焊缝部位可见明显弧状一次台阶及二次台阶(图9 箭头1所指处),一次台阶应为疲劳源区,二次台阶应为疲劳扩展区。

图8 T型焊缝1

图9 T型焊缝2

同时发现Q345R板发生弯曲疲劳扩展的痕迹(图8、图9箭头2所指处)。依据断裂的扩展形貌特征,可判断开裂起源于T接焊缝的角焊缝部位。观察开裂断口附近无缩颈现象,边缘无剪切唇,故宏观显现为弯曲疲劳脆性断口特征。

4 金相检验

用Q345B筋与Q345R板的T接焊缝结合部位制备金相试样。试样在未侵蚀情况下进行显微组织观察,试块中的夹杂物含量按标准GB/T10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定-标准评级图显微检验法》评定夹杂物为:硫化物类A0级、氧化铝类B0级、硅酸盐类C0级、环状氧化物类D1.5级,故Q345B筋与Q345R板夹杂物级别较低[12]。

试样经4%硝酸酒精侵蚀后,观察断裂T接焊缝区域组织发现,熔合线(图10箭头1所指处)右侧为焊缝区、左侧为热影响区(图10箭头2所指处),对图10放大200倍后观察,焊缝区组织为‘柱状晶铁素体+细珠光体’(图11);焊缝热影响区放大500倍后,发现其组织为‘魏氏组织铁素体+细珠光体’(图12、图13);而焊缝正火区组织为细小的‘铁素体+珠光体’(图14),母材组织为‘铁素体+珠光体’(图15)。

图10 焊缝熔合线形貌(100倍)

图11 焊缝区组织(200倍)

图12 焊缝热影响区组织(500倍)

图13 焊缝热影响区组织(500倍)

图15 母材组织(500倍)

根据振动筛的宏观检查与金相检验分析,Q345B筋及Q345R板通过T接焊接组成设备结构件断裂表现为弯曲疲劳脆性断裂特征,且观察到裂纹起源于焊缝区域。Q345B筋及Q345R板通过T接的焊缝热影响区出现的魏氏组织铁素体(粗大针状铁素体),降低了钢的塑性、冲击韧性及其疲劳强度,进而减低Q345B筋及Q345R板焊接组成设备结构件的有效承载强度,以致其在承受弯曲(脉动)载荷时,导致设备结构件应力集中区魏氏组织铁素体组织处起裂,然后裂纹渐进疲劳扩展直至完全破断。

5 力学试验检测

用Q345B筋与Q345R板的钢板原料分别制备试件进行拉伸性能试验,实测结果见表3、表4。

表3 Q345B筋拉伸性能

表4 Q345R板拉伸性能

所检项目的拉伸性能试验值与标准值比对,表明其力学性能分别符合GB/T1591-2018 《低合金高强度结构钢》标准及GB/T713-2014《锅炉和压力容器用钢板》标准中规定的要求[10-11]。

同时对Q345B筋与Q345R板的T接焊缝结合部位进行硬度分布测定,结果见表5。

表5 Q345R板-Q345B筋T接焊缝

由表5可知,Q345B筋与Q345R板的T接焊缝结合部位的焊缝区及热影响区的硬度HV明显高于母材的硬度HV。

据力学试验检测显示,所检Q345B筋与Q345R板钢板原料的拉伸性能属标准规定范围,而T接焊缝结合部位的焊缝区及热影响区的硬度HV明显高于母材的硬度HV。这将会导致焊缝处开裂现象发生。

6 结论

(1) 对某企业一台双层香蕉型高频振动筛现场勘察,发现筛体左右侧板焊接处均有贯穿裂缝,此处为驱动梁安装处,是设备的最大受力点位置。

(2) 在高频振动筛筛体左侧板裂纹处进行了现场取样,对取样的筋、板以及焊缝的宏观、微观、化学、力学性能进行了检测分析。分析表明高频筛筛体的Q345B筋及Q345R板所选用的钢板为符合图纸要求的合格原材料,侧板焊接件的焊缝热影响区出现魏氏组织铁素体(粗大针状铁素体),是造成其承载时在高频运动工况下,发生开裂的主要原因。

(3) 建议改进Q345B筋及Q345R板通过焊接组成设备结构件的焊接工艺,调整焊缝组织,提高焊接质量。