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膨胀干燥机螺杆轴断裂失效分析

时间:2016-1-27 9:07:00 来源:中国化工设备网

  膨胀干燥机是顺丁橡胶生产中的关键设备,它的作用是将来自挤压脱水机的物料通过固定于悬臂轴上的连续式螺旋叶推人机体内,物料向前推进的同时,压力和温度将逐渐升高,在物料到达机头模板时温度达到150180(:,压力达到1015MPa,从模头挤出的物料在大气中快速膨胀,蒸发掉其中的水分,使橡胶的含水量降低到1以下。螺杆轴是膨胀干燥机中的关键零件,呈悬臂状态工作于套筒中,起到支撑螺套的目的,螺杆上有多级螺套,而螺套则通过平键与螺杆连接。螺杆轴在工作过程中一方面受到螺旋挤压橡胶过程中产生的扭矩,另一方面还受到螺叶及自重产生的弯矩,故该轴为弯扭组合变形轴,其转速通常在220280r/min.膨胀干燥机在工作过程中主要存在两方面的问题:螺旋叶的磨损和螺杆轴的断裂。作者已对螺旋叶的磨损问题进行了研究,结果表明螺旋叶的磨损除与螺旋叶本身的状况有关外还与螺杆轴的工作状况有关,这两方面的问题存在相互制约的关系。膨胀干燥机螺杆轴用于支撑螺套,为此该轴通常设计成变截面轴,在工作过程中常发生螺杆轴在变截面处发生断裂。如某厂的螺杆总长度达5 441mm,支撑螺套的螺杆直径为0130mm,它与5 250mm的一段轴形成变截面,断裂常发生在该位置。该厂设备进口时螺杆轴的材料为316L,使用过程中未见断裂现象发生,但发生过轴的扭曲破坏。后来将该轴的材料改为强度级别比316L高的35CrMo低合金钢,从此该轴便故障不断,一般在la左右就发生断裂,短的只有34个月,严重影响该厂生产。作者就其断裂原因进行了分析,提出了提高螺杆轴寿命的方法,为同类装置上该螺杆轴材料的选用及制作工艺提供依据。

  2螺杆轴上裂纹的宏观形貌所分析的轴约使用了6个月,在装置停车检修时,发现该轴的4130mm和250mm变截面部位存在二条裂纹,一条长度为20mm,另一条周向长度达到145mm,且裂纹具有一定的宽度,见。而从该螺杆的表面情况看,在4250nrn段的圆柱体表面存在严重的腐蚀凹坑,该部位螺杆轴直接与介质接触。而在4130mm的螺套支承轴上只有在料液入口侧约600mm范围内存在腐蚀现象。为观察轴上长裂纹的裂纹面形貌,将裂纹经超声波探伤仔细定出裂纹的深度,用机加工的方法将未出现裂纹的部分轴切除,剩余部分浸在液氮中使材料充分冷却,然后用力将裂纹敲开,得到如的裂纹面形貌。可见这条裂纹由三个平面组成,因此可初步断定该裂纹是三条裂纹的扩展合并而成,是一种典型弯扭组合下的疲劳裂纹。从裂纹的形貌看,初的三条裂纹均能找到裂纹源,裂纹源均为轴表面的缺陷。

  3裂纹面微观和腐蚀产物分析使用6360SM-LV型扫描电镜进行分析,由可见,由于疲劳而生成疲劳辉纹,且在裂纹面上粘附有一些腐蚀产物,还可看到较深的腐蚀坑。

  裂纹面上的腐蚀产物采用EDAX电子探针进行分析,从可发现,腐蚀产物中有大量氯元素,根据该厂的生产工艺可看出,氯可能来源于橡胶中的水。为此取装置中的废水进行分析,结果该废水的pH=6.2,属微酸性。水中的Cl和F一的浓度经离子光谱分析测定分别达到583mg/kg和161mg/kg.由于水中含有大量的氯离子,使水的腐蚀性加大,由此可断定裂纹面上含有大量的氯化物与水中含有大量的氯离子有关。在腐蚀产物中还含有硫、硅、钾、钙等元素,其中钙可能来自于系统中的催化剂,而其他元素可能来源于材料中夹杂物。

  裂纹面上的腐蚀产物EDAX谱为进一步判明腐蚀产物的类型,又用XRD法对腐蚀产物进行物相分析。结果表明,在裂纹面上除有氧化铁和氯化物外,还发现有FeF、FeF2和CrF等氟系列腐蚀产物。这说明轴上的腐蚀疲劳裂纹不仅与氯离子的腐蚀有关,而且还与腐蚀介质中含有大量的氟离子有关。

  4材料的显微组织分析按照设计要求,螺杆轴应为调质状态,尽管35CrMo材料的淬透性较好,但由于轴的直径较大,在实际制作过程中较难保证完全泮透。考虑这一实际情况,为比较全面反映轴材料的组织状况,着重注意考察在整个横截面上的组织变化。为此在4 130mm的轴横截面上用线切割方法分别在轴的外表面、中间部位和心部切取三块10mmX10mm的试样(1、2及3试样)进行金相分析。由于35CrMo材料为低合金中碳钢,常规的组织为铁素体+珠光体,因此选用3的硝酸酒精溶液作为该材料的浸蚀剂。

  为1试样在浸蚀前的显微形貌,可见存在大量的原始缺陷,其中长的原始缺陷约。1mm.这些位于材料内部的缺陷未见有扩展的现象,但如果这些缺陷位于轴表面的应力集中处,则极可能形成裂纹源,产生疲劳裂纹。

  由可见,1试样组织非常均,主要是由回火索氏体和铁素体组成,这种组织与上介绍的35CrMo材料调质态的组织极为相似由可见,2试样的金相组织为铁素体和珠光体的混合物,这种组织与35CrMo材料的回火态相似,这表明调质处理对该处材料未发挥作用。而3试样的组织与基本一致,表明该部位的材料也处于回火状态。

  从组织分析可见,该轴的调质处理是不充分的,调质处理对表面材料效果较好,而轴芯部基本还是呈回火态。对于35CrMo材料而言,不同的热处理58状态对缺口敏感性是不同的,调质处理具有更好的性能w,因此该材料的调质处理不足将大大降低变截面处的疲劳寿命。

  5轴材料力学性能的分析为考察轴材料的力学性能,分别从断轴上截取拉伸、冲击和硬度试样。

  在WE-60拉伸试验机上进行拉伸试验,试验时加载速率控制在7MPa/s.所测5个试样的断口均呈杯锥状,断口可清楚分辨出中心纤维区、放射区和边缘剪切唇区,只是放射区所占比例很大,而剪切唇所占比例很小且厚度很薄,说明轴材料具有较好的塑性。5个试样试验结果的平均值为:(7,=580.9MPa,  冲击韧度测试按GB21061980金属夏比(V型缺口)冲击试验试样标准,在300N m的冲击试验机上进行。所试验的5个试样经冲击后均完全断裂,各试样断口均由纤维区、放射区和剪切唇组成,各试样的纤维区大小不一,其中以3试样大。

  其实际试验结果的平均值为=57.7/cm2.按0830771988,小尺寸35011钢的冲击韧度至少应达到63/cm2,这一测试结果低于规范要求值。

  究其原因可能与试样中存在较多的缺陷有关,同时说明该材料的性能不是很均匀。

  由可见,材料硬度与表面间的距离有关,往材料心部的硬度有下降的趋势。造成材料硬度变化的原因是由于轴的直径较粗,在调质处理过程中很难保证轴的整个截面调质处理都很好,越靠近表面的区域调质处理越容易,只有在这一区域内材料才得到调质处理。

  从对材料的拉伸、冲击和硬度测定的情况看,轴材料的各项力学性能指标与标准值均存在较大的差距,且离散性较大,造成这一现象的原因除与调质处理不够充分有关外,材料本身所存在的缺陷也是其主要原因之一。

  6螺杆轴改进措施和寿命预测从有限元分析可知,在正常工作过程中轴变截面处大拉应力为76.96MPa,大压应力为一77.82MPa.由于该轴呈旋转运动,其应力状态基本呈对称循环,其应力幅为154.78MPa.根据光滑试样旋转弯曲试样的P-S-7V曲线,对35CrMo材料在不计腐蚀介质作用的情况下,如轴的转速为320r/min,每天工作24h,则该轴90存活概率下的工作天数为9d,而实际上轴的寿命远比预测的小。

  事实上,根据前面的分析,由于轴材料虽经调质处理,但仅仅局限于表面材料,而对轴的心部其热处理是不充分的,依然处于回火状态,该状态下的材料在低周疲劳的情况下更易发生疲劳累积损伤,因此会降低其疲劳寿命。同时由于该材料内部存在有较多的缺陷,在这些缺陷处将更易产生疲劳裂纹源,也可能使其疲劳寿命降低。而从轴的表面状况和裂纹面的腐蚀产物组成看,工作介质中的氯离子和离子对35CrMo材料的腐蚀是明显的,从圆缺口试样的疲劳试验结果可见,腐蚀对缺口试样起裂寿命的影响是非常显著的,腐蚀疲劳裂纹产生于材料表面的缺陷处M.而从螺杆轴的断口分析可见,轴上的主裂纹是由三条裂纹经扩展而合并成的,这一特征与圆缺口试样经疲劳试验后产生多裂纹的情况非常相似,从而进一步说明螺杆轴变截面处的裂纹为疲劳裂纹。腐蚀与疲劳的交替作用使轴的寿命大大降低。

  综合以上分析,以35CrMo材料制造的螺杆轴在使用1a左右的时间后发生断裂的概率是非常大的。若要该轴长期使用,必需考虑采用既耐疲劳又耐腐蚀的材料。综合考虑该轴的工作状况,将该轴的材料改为113不锈钢。调质态的1013其和a分别为392MPa和586MPa,满足强度要求。

  根据该轴的应力状态,在不考虑腐蚀的情况下,同样可预测1013材料的轴在90存活概率下的工作寿命达到22 012d,比35CrMo材料的疲劳寿命高出20多倍。同时考虑到轴的工作介质基本呈中性,1013材料有较强的耐介质腐蚀能力,因此可使轴的寿命得到大幅度提高。实际情况是,该螺杆轴自2002年3月起改用1013材料后一直到2004年10月已使用了2a多时间,一直未出现断轴现象。

  7结论螺杆轴的断裂属腐蚀疲劳裂纹扩展断裂。腐蚀疲劳裂纹产生的主要原因是含有较高的氯离子及氟离子的介质对35CrMo材料有较大的腐蚀性,该腐蚀性介质很容易在材料中的缺陷部位形成疲劳裂纹源。另外轴材料调质处理不足造成轴材料强度达不到设计要求,降低了轴的抗疲劳能力。将轴材料改为1013后,轴的疲劳寿命得到大大提篼。

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