PTA裝置TA單元干燥機(jī)烘干機(jī)，用于蒸發(fā)殘留在濕濾餅（粗TA）中的溶劑，其所屬設(shè)備進(jìn)料攪籠軸的作用是將來(lái)自于旋轉(zhuǎn)真空過(guò)濾機(jī)的物料連續(xù)推進(jìn)至干燥機(jī)烘干機(jī)本體內(nèi)。近期在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生進(jìn)料攪籠軸突然斷裂事故，給企業(yè)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。為避免此類事故的再次發(fā)生，對(duì)該軸進(jìn)行了檢驗(yàn)及失效分析。
基本情況：進(jìn)料攪籠軸由日本MITSUI工程與造船有限公司制造，材質(zhì)為SUS316LIP-S，規(guī)格為8英寸-SCH40的管材，外圍螺旋環(huán)繞一段攪籠片，攪籠片與管外壁之間通過(guò)一些均布的錐形管焊接而成。攪籠軸于2000年5月投用，除每年維修一次外（主要是檢查前后軸承），連續(xù)使用近4年，工作中接觸溫度為100 N110℃的TA帶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.8%乙酸的介質(zhì)，接受電機(jī)輸入功率為15 kW，轉(zhuǎn)速54 r/min。
1、化驗(yàn)及分析
1.1宏觀檢驗(yàn)
斷裂發(fā)生在距攪籠片尾部1/3處，裂紋以一定角度沿管壁周向擴(kuò)展一周（如圖1，2所示）。除其中一塊有局部明顯受力過(guò)大而發(fā)生彎曲變形外，均沒(méi)有明顯的塑性變形。空心軸外壁因接觸乙酸而發(fā)生均勻腐蝕，使表面不再光滑，經(jīng)測(cè)量壁厚無(wú)明顯減薄，斷口大部分為脆性斷口，且受到摩擦，呈現(xiàn)閃爍的金屬光澤。在靠近最終的斷口處，碎片內(nèi)外有一些縱向小裂紋，這是瞬斷時(shí)受力過(guò)大導(dǎo)致的。
1.2化學(xué)成分分析
化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1，符合JiS標(biāo)準(zhǔn)對(duì)SUS316LTP-S鋼的規(guī)定。
1.3金相檢驗(yàn)
在攪籠軸斷口附近取樣，觀察顯微組織，夾雜物未超標(biāo)，組織為正常孿晶奧氏體（如圖3，4所示），圖3可見(jiàn)的裂紋與金相試樣選取部位有關(guān)。
1.4力學(xué)試驗(yàn)
受碎片尺寸所限，制取非標(biāo)拉伸試樣，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。
1.5宏觀斷口分析
將整條裂紋的兩端斷口清洗，發(fā)現(xiàn)在攪籠軸與錐形支撐的角焊縫斷口有明顯的疲勞斷口特征（海灘標(biāo)記如圖5所示）。
由此可斷定攪籠軸為疲勞斷裂，裂紋源自管外壁角焊縫焊址引發(fā)，擴(kuò)展到管壁母材。
1.6靜強(qiáng)度校核
1. 6.1按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件校核
2、失效原因分析
攪籠軸化學(xué)成分、力學(xué)性能均符合原材料標(biāo)準(zhǔn)要求，金相組織正常，強(qiáng)度校核合格，表明材質(zhì)不存在問(wèn)題，且完全能承受工作負(fù)荷。
斷口宏觀形貌特征表明攪籠軸斷裂屬疲勞斷裂。裂紋源生成于最大應(yīng)力集中部位，即管外壁角焊縫焊址。裂紋是在使用中萌發(fā)。當(dāng)裂紋生成后，由于軸在工作中受扭轉(zhuǎn)和彎曲共同作用，具備了疲勞斷裂的條件。
攪籠軸的斷裂過(guò)程可描述為在軸的最大應(yīng)力集中部位因工作中受交變應(yīng)力引起裂紋，拉應(yīng)力促使裂紋不斷沿與拉應(yīng)力基本垂直的方向，即周向擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到剩余管壁截面強(qiáng)度不能承受工作載荷時(shí)，出現(xiàn)過(guò)載撕裂，直至整個(gè)截面斷開(kāi)。
3、結(jié)論
(1)攪籠軸化學(xué)成分、力學(xué)性能均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，金相組織正常，表明材料不存在問(wèn)題。
(2)靜強(qiáng)度校核合格，表明攪籠軸能滿足工作負(fù)荷。
(3)攪籠軸斷裂屬于疲勞斷裂。裂紋源在管外壁角焊縫焊址，裂紋自此處沿周向擴(kuò)展一周而使空心軸斷裂。
4、解決對(duì)策
通過(guò)失效原因分析，認(rèn)為原攪籠軸在結(jié)構(gòu)和制造工藝上有待改進(jìn)，特別是在管外壁角焊縫焊址處的焊接應(yīng)力集中區(qū)域，設(shè)備的抗疲勞能力有薄弱之處。為盡快恢復(fù)生產(chǎn)，節(jié)約資金，迅速開(kāi)展了國(guó)產(chǎn)化攪籠軸的制造工作，并在國(guó)產(chǎn)化制造工藝等方面做了改進(jìn)：
(1)改進(jìn)新攪籠軸的結(jié)構(gòu)和制造工藝，提高抗疲勞能力。為保證攪籠軸葉片支撐管與主軸的連接強(qiáng)度，避免在管外壁角焊縫焊址處形成焊接應(yīng)力的集中區(qū)域，在焊接工藝中采取了以下措施：
①氬弧焊打底（焊材HOOCr9Ni2M02），電焊（焊材A022）蓋面，坡口兩側(cè)涂白堊粉；
②焊接后立即錘擊，焊接時(shí)的層間溫度小于60℃，攪籠軸（空心）內(nèi)部連續(xù)通入冷卻水強(qiáng)制冷卻，并對(duì)稱分散焊接；
通過(guò)這些方法大大降低和避免了316L材質(zhì)在焊接中所產(chǎn)生的應(yīng)力集中和變形。
(2)焊后立即整體熱處理，進(jìn)行消除應(yīng)力退火。
(3)為盡量降低攪籠軸表面粗糙度，減少表面掛料造成的負(fù)荷增加，攪籠軸在熱處理后進(jìn)行精加工并做表面拋光處理，確保表面粗糙度達(dá)到Ra 0.08~0.16，所有焊縫做打磨處理，消除焊縫與母材的不圓滑過(guò)渡。
(4)加強(qiáng)成品檢驗(yàn)，避免帶缺陷運(yùn)行，所有焊縫100%著色JB4730-94 -級(jí)合格，外觀按照GB150-1998無(wú)超標(biāo)缺陷。
(5)加強(qiáng)干燥機(jī)烘干機(jī)的運(yùn)行控制。
在今后的運(yùn)行中嚴(yán)格控制干燥機(jī)烘干機(jī)的進(jìn)料負(fù)荷，特別是進(jìn)料濕濾餅的含濕量指標(biāo)，以避免進(jìn)料攪籠的超負(fù)荷疲勞運(yùn)行，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)攪籠軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行電流的監(jiān)控。
5、效益評(píng)價(jià)
2004年3月10日，國(guó)產(chǎn)化攪籠軸上機(jī)安裝，到裝置大修時(shí)為止已經(jīng)連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行4個(gè)月，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)正常。運(yùn)行期間還利用裝置停車時(shí)機(jī)對(duì)該設(shè)備進(jìn)行了一次徹底檢查和焊逢100%著色檢測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)完全合格。
通過(guò)此次攪籠軸的失效分析和國(guó)產(chǎn)化制造改進(jìn)工作，大大提升了PTA裝置設(shè)備國(guó)產(chǎn)化程度，為企業(yè)及時(shí)恢復(fù)生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，并節(jié)約資金100萬(wàn)元（從日本原廠家進(jìn)口該干燥機(jī)烘干機(jī)攪籠軸需要120萬(wàn)元人民幣，國(guó)產(chǎn)化攪籠軸造價(jià)約20萬(wàn)元），創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
