安全銷斷裂失效原因分析

陳 海，季華建，張文澤，解志剛，祝加軒

（中國石油獨(dú)山子石化公司研究院，新疆克拉瑪依 833699）

1 設(shè)備問題描述

2021 年3 月7 日，某車間聚丙烯裝置擠壓機(jī)因齒輪泵電機(jī)安全銷斷裂報(bào)警導(dǎo)致擠壓機(jī)連鎖停機(jī)，停機(jī)后由于原廠備用安全銷無庫存，車間使用了當(dāng)?shù)貦C(jī)械廠代工生產(chǎn)的安全銷進(jìn)行更換使用，在使用8 d 后再次發(fā)生了斷裂失效，在齒輪泵使用不到3 個(gè)月的時(shí)間里中發(fā)生了兩個(gè)批次的安全銷斷裂失效事件，斷裂的安全銷既有齒輪泵原廠生產(chǎn)廠家供貨也有生產(chǎn)單位委托當(dāng)?shù)貦C(jī)械廠代工生產(chǎn)供貨的。安全銷的實(shí)際使用情況是：原廠生產(chǎn)供貨的安全銷在發(fā)生斷裂失效前使用的時(shí)間較長，原廠安全銷于2020 年12 月18 日擠壓機(jī)例行檢修時(shí)進(jìn)行更換，至2021 年3 月7 日發(fā)現(xiàn)斷裂失效時(shí)共使用1742 h（約73 d），替代安裝使用的安全銷于2021 年3 月7 日更換，至發(fā)生斷裂失效時(shí)使用時(shí)間較短，僅194 h（約8 d），發(fā)生斷裂的兩批次安全銷服役時(shí)間與使用單位正常的每年更換一次安全銷的使用周期相比均大大縮短，嚴(yán)重影響了齒輪泵的正常使用。

擠壓機(jī)齒輪泵的型號為GP500TM-（L），電機(jī)功率為1800 kW，轉(zhuǎn)速0～1275 r/min，額定電流374 A，其作用是將熔融后的物料增壓，使其通過換網(wǎng)器、?？住ｋ姍C(jī)聯(lián)軸器安全銷安裝在電機(jī)與減速箱之間的聯(lián)軸器上，作用是對電機(jī)及減速箱進(jìn)行保護(hù)。

2 安全銷檢測情況

2.1 宏觀檢查

安全銷長68 mm，外徑24 mm，開孔孔徑12 mm。原廠供貨安全銷斷裂表面，外觀尺寸未見明顯變化，安全銷斷面凸起側(cè)在臺階部位發(fā)現(xiàn)一處明顯的裂紋缺陷，裂紋起始位置逆時(shí)針方向有一道道的撕裂臺階（快速斷裂區(qū)），斷面比較干凈、有金屬光澤，未發(fā)現(xiàn)有腐蝕現(xiàn)象（圖1）。由于安全銷斷裂后繼續(xù)運(yùn)動，兩側(cè)斷口相互摩擦，斷面凸出部分表面特征已經(jīng)損失。安全銷斷面凹陷側(cè)能觀察到較明顯起裂源位置、擴(kuò)展區(qū)和快速斷裂區(qū)（撕裂臺階部位），呈現(xiàn)疲勞斷裂特征，疲勞源（起裂源）位于安全銷機(jī)加工臺階邊緣位置，該位置機(jī)加工痕跡有少量不連續(xù)，也是應(yīng)力集中承受最大應(yīng)力的部位。

圖1 原廠安全銷斷面

機(jī)械廠代工生產(chǎn)安全銷斷面較為齊平，表面比較干凈，斷面有金屬光澤，表面未見腐蝕現(xiàn)象，尺寸未見變化，無塑性變形，臺階部位發(fā)現(xiàn)多處裂紋缺陷，能觀察到比較明顯的唇口，斷裂后凸出部分由于摩擦表面特征已經(jīng)損失，斷面凹陷側(cè)內(nèi)凹部位表面能觀察到許多閃閃發(fā)光的呈結(jié)晶狀的小表面，整個(gè)斷面呈現(xiàn)脆性斷裂的特征（圖2）。

圖2 機(jī)械廠代工安全銷斷面

2.2 工藝情況檢查

原廠安全銷斷裂后，用戶采用機(jī)械廠代工生產(chǎn)的安全銷安裝并于2021 年3 月7 日投用，至16 日擠壓機(jī)停機(jī)前，一直在生產(chǎn)牌號為K8003 的產(chǎn)品，生產(chǎn)負(fù)荷34 t/h，為正常生產(chǎn)狀況，檢查齒輪泵電流趨勢，未發(fā)現(xiàn)異常波動。停機(jī)前該電流一直維持在220 A 左右，遠(yuǎn)低于齒輪泵的額定電流374 A（圖3）。

圖3 停機(jī)前擠壓機(jī)主電機(jī)電流趨勢

2020 年12 月18 日例行檢修，更換原廠供貨該安全銷之后，擠壓機(jī)一直在生產(chǎn)低熔指產(chǎn)品T4401（2020 年12 月18 日至2021年3 月7 日），使用時(shí)間為73 d，各參數(shù)都在正常范圍內(nèi)，其中齒輪泵的電流值在293 A 左右，高于更換機(jī)械廠代工安全銷生產(chǎn)K8003 產(chǎn)品時(shí)齒輪泵的工作電流，也遠(yuǎn)低于齒輪泵的額定電流374 A（圖4）。

圖4 停機(jī)前齒輪泵電機(jī)電流趨勢

2.2 硬度試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 4340.1—2009[1]對檢測對象取樣并進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，經(jīng)分析原廠供貨安全銷試樣硬度為359 HV10，換算為布氏硬度為346 HB，機(jī)械代工生產(chǎn)安全銷硬度為251 HV10，換算為布氏硬度為240 HB。

2.3 金相試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 13298—2015[2]標(biāo)準(zhǔn)對檢測對象取樣并進(jìn)行金相試驗(yàn)，經(jīng)分析原廠供貨安全銷金相組織為回火索氏體，未見有二次裂紋；機(jī)械廠代工生產(chǎn)安全銷金相組織為“鐵素體+貝氏體”，部分鐵素體呈塊狀（圖5）。

圖5 安全銷金相檢測

2.4 拉伸試驗(yàn)

原廠安全銷材料為SCM440（相當(dāng)于國產(chǎn)排號42CrMo），機(jī)械廠代工生產(chǎn)安全銷材料為42CrMo，根據(jù)GB/T 228.1—2010[3]標(biāo)準(zhǔn)在安全銷上取樣并進(jìn)行拉伸試驗(yàn)（表1）。由表1 可知，原廠供貨的安全銷拉伸試驗(yàn)結(jié)果滿足GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》[4]中對42CrMo材料的要求；機(jī)械廠代工生產(chǎn)的安全銷拉伸試驗(yàn)結(jié)果中塑性指標(biāo)能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但強(qiáng)度指標(biāo)低于42CrMo 材料的要求。

表1 安全銷拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3 綜合分析

通過工藝情況檢查發(fā)現(xiàn)，在擠壓機(jī)在兩次停機(jī)之前生產(chǎn)不同的產(chǎn)品時(shí)，齒輪泵的工作電流分別為293 A、220 A左右，均低于齒輪泵的額定電流374 A，距離擠壓機(jī)滿載工作還有一定空間，因此排除擠壓機(jī)過載因素可能導(dǎo)致的安全銷斷裂失效。

通過安全銷外觀檢查分析可知原廠安全銷斷裂失效為疲勞斷裂失效，機(jī)械廠代工生產(chǎn)安全銷斷裂失效為脆性斷裂失效。

由金相試驗(yàn)檢驗(yàn)分析結(jié)果可知，機(jī)械廠代工生產(chǎn)的全銷熱處理工藝不當(dāng)，形成的組織混亂，成分不均勻，具體組織為“鐵素體+貝氏體”組織，部分鐵素體呈塊狀，該組織力學(xué)性能中的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度對比原廠供貨安全銷分別下降了23.8%、18.5%，對比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限數(shù)據(jù)分別下降了9.4%、10.0%，不能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，強(qiáng)度存在明顯的不足。宏觀檢查發(fā)現(xiàn)的多處裂紋缺陷，有可能是安全銷組織不均勻性導(dǎo)致的微裂紋在持續(xù)的載荷下發(fā)展所致，裂紋缺陷大大降低安全銷的承載能力，這使得代工生產(chǎn)的安全銷在使用過程中持續(xù)載荷下直接發(fā)生了脆性斷裂。

原廠供貨安全銷組織為相對正常的回火索氏體組織，力學(xué)性能也滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是安全銷硬度為346 HB，超過了GB/T 3077—2015 標(biāo)準(zhǔn)中“硬度值應(yīng)不超過229 HB”的要求。一般情況下，硬度越高材料韌性相對越差；原廠安全銷在使用過程中承受兩側(cè)軸傳遞過來的載荷，同時(shí)承受彎矩和扭轉(zhuǎn)力，形成循環(huán)加載，形成疲勞工況；宏觀檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，在機(jī)加工臺階根部存在機(jī)加工缺陷，其成為斷裂發(fā)生的起裂源，在疲勞的作用下起裂源發(fā)展成為裂紋并逐漸長大，達(dá)到臨界尺寸后進(jìn)入擴(kuò)展階段，當(dāng)剩余橫截面積不足以承受剪切力時(shí)最終發(fā)生疲勞斷裂。

4 結(jié)論

（1）原廠供貨安全銷斷裂失效為疲勞斷裂失效，斷裂原因是以機(jī)加工缺陷為裂紋源，在疲勞載荷作用下發(fā)生的疲勞斷裂開裂。

（2）機(jī)械廠代工生產(chǎn)的安全銷斷裂失效為脆性斷裂失效，斷裂原因是材料的力學(xué)性能達(dá)不實(shí)際工況的使用要求。

5 建議

（1）提高安全銷生產(chǎn)制造時(shí)的加工質(zhì)量及精度，避免機(jī)加工缺陷的產(chǎn)生。

（2）嚴(yán)格控制安全銷生產(chǎn)制造時(shí)的熱處理工藝，保證安全銷供貨狀態(tài)的組織性能能夠滿足用戶的使用要求。

（3）加強(qiáng)日常對聯(lián)動軸的震動監(jiān)測，實(shí)時(shí)掌握聯(lián)動軸及安全銷的工作狀態(tài)。

（4）嚴(yán)格執(zhí)行企業(yè)規(guī)定的檢維修任務(wù)，杜絕失修現(xiàn)象。