槳葉斷裂失效分析及預防控制

槳葉的疲勞斷裂圖2在化工生產中，噴槍手術器廣泛應用于聚吡咯、氣體吸收、傳熱等操作過程。結構簡單，施工準備方便。但如果設計不合理、制造不當,則有可能出現槳葉的疲勞斷裂。現針對一起槳葉疲勞斷裂的實例進行失效原因分析,并據此對槳葉疲勞斷裂的預防控制問題進行初步探討。1槳葉的質及材質某廠為提高生產能力,新投用了數臺反應器,所配攪拌器的參數為:操作壓力:常壓;操作溫度:≤110℃;介質:反應溶液(含固率10%,粒徑40～50μm);反應條件:溶液反應,間歇操作;電機功率:22kW;轉速:69r/min;槳葉形式:開啟渦輪式;材質:奧氏體不銹鋼;槳葉截面尺寸:254mm×7mm。該批反應器于2002年7月使用,至同年11月,相當一部分攪拌器的槳葉先后出現裂紋,部分槳葉斷裂。2槳葉片斷裂的失效分析2.1金屬光澤斷口擴展對斷裂槳葉的斷口檢查發現,裂紋自槳葉迎液面上的安裝螺孔邊緣萌生(見圖1),進而向兩側擴展。斷口截面上存在光滑區、粗糙區和變形扭曲區三種不同的區域且左右對稱。其中,光滑區和粗糙區之間有明顯的圓弧狀分界線,且光滑區的面積比粗糙區和變形扭曲區大(見圖2)。斷口可見金屬光澤,無明顯腐蝕跡象。總體上表現為疲勞斷口特征。2.2葉片折斷部的張力分析2.1.1槳葉受力分析槳葉推動物料運動是一個能量傳遞過程,服從沖量定理。取到攪拌軸中心距離分別為r1、r2、寬度為dr的兩個單位高度流體環(見圖3),則有:r1處:ωr1·2πr1·dr·ρ/n=F1t,⑴r2處:ωr2·2πr2·dr·ρ/n=F2t,⑵式中:ω為攪拌器旋轉的角速度,s-1;r1、r2為所取槳葉推動運動的物料環到攪拌軸中心O的距離,m;dr為槳葉推動運動的物料環寬度,m;ρ為物料的密度,kg/m3;n為槳葉數;F1、F2為槳葉推動物料運動的力,即運動物料作用于槳葉上的力,N;t為力的作用時間,s。⑴/⑵得:r2121/r2222=F1/F2。⑶⑶式說明槳葉某一截面所承受液體作用力的分布規律是:力的大小與該截面到攪拌軸中心距離的平方成正比,設:F=kx2,其中的系數k可由已知的攪拌器功率建立邊界條件求出。因槳葉所承受的徑向力對某一截面取矩可得該截面所承受的彎矩,可知槳葉任一截面所承受的彎矩為:Mx=lj∫xkx2?xdx∫ljxkx2?xdx=k(l4j4j-x4)/4,⑷葉片自輪轂處起,取x=0,則Mx等于槳葉根部所承受的彎矩。因此:k=4MI/l4j,⑸式中:MI為槳葉根部所承受的彎矩,N·m;MI可由下面的公式來計算:MI=(9553×Pq)/(Zj·n·cosθ),式中:Pq為每層攪拌器的實際分配功率,kW;θ為槳葉中心線與攪拌軸中心線的夾角,°;Zj為槳葉數量;n為槳葉層數。代入數據后計算出槳葉斷裂部位的彎矩為:M=240(N·m)。2.2.2槳葉抗彎截面模量槳葉受彎曲應力作用后,其變形應保持連續,當安裝螺孔與槳葉安裝板之間的距離不大時(本例僅為23.8mm),槳葉實際變形如圖4所示,槳葉的迎液面處于拉伸狀態,且其所承受的彎曲應力不能有效傳遞,此時的彎矩基本由槳葉單獨承受。槳葉的抗彎截面模量為:W=h2b/6=2074.3(mm3),式中,h為槳葉的厚度,7mm;b為槳葉寬度,254mm。則槳葉斷裂部位的彎曲應力為:σ=M/W=115.7(MPa)。2.2.3確定協同運行工況槳葉受力的波動大小一般與物料特性、操作狀況和擋板等內件的數量、形式有關,需通過試驗或運行經驗確定。設計時根據經驗所取波動范圍為±40%。2.2.4槳葉結構應力集中按槳葉與槳葉安裝板的連接形式,由于安裝螺孔與槳葉安裝板端部之間的距離很小,兩處的彎曲應力相當,且根據彈性力學的圣維南原理,槳葉與槳葉安裝板因形狀突變(厚度差異)所引起的應力集中未完全衰減,槳葉斷裂部位的應力集中應涉及開孔和形狀突變兩個因素。即使只計開孔的應力集中,根據彈性力學所給出的精確解,對本例該應力集中系數為3。2.2.5平均應力及分子應力根據上述分析,槳葉斷裂位置的疲勞循環應力為:最小應力:σmin=115.7×3×(1-40%)=208.3(MPa),最大應力:σmax=115.7×3×(1+40%)=485.9(MPa),平均應力:σm=(σmin+σmax)/2=347.1(MPa),應力幅度:σa=(σmax-σmin)/2=138.8(MPa),當量疲勞應力:σ′=σaKσ+σmΨσ=242.9(MPa),式中:Kσ取1;Ψσ取0.3(高強鋼)。根據材料商提供的資料,當疲勞應力為242.9MPa時,材料實測的疲勞壽命約為107次,對應槳葉運行周期約為100天。2.3槳葉斷裂的原因根據斷口特征和斷裂部位的分析,認為本次槳葉斷裂是疲勞斷裂。3甘蔗疲勞誤差的預防和控制3.1槳葉的疲勞校核根據式⑷可計算各截面彎矩(見表1)。從表1可明顯看出,當危險截面所處位置小于0.5lj時,該截面所承受的彎矩與槳葉根部所承受的彎矩相比基本相當。當槳葉受力波動較大時,該范圍內如存在開孔、形狀突變或焊縫缺陷等可能造成應力集中的部位,對其可能出現的疲勞失效應予以高度重視,建議進行疲勞校核。需要特別指出的是,設計過程中應合理確定結構和幾何尺寸,防止應力集中的相互疊加。當疲勞強度不足時,增加槳葉厚度是提高疲勞壽命最有效的方法。但此時應考慮槳葉的質量增加對臨界轉速所產生的影響。3.2板板光潔度在攪拌器的制造過程中,制造單位應設法提高槳葉和槳葉安裝板的光潔度,防止表面機械損傷。當槳葉采用焊接方式連接時,應采用適當的方法對焊縫進行檢測,杜絕焊接缺陷,并在焊接后對焊縫表面進行打磨,使焊縫表面光滑,圓滑過渡。4槳葉的密封校核(1)本例所分析的槳葉斷裂是疲勞斷裂。(2)當槳葉受力波動較大時,需進行槳葉的疲勞校核,建議校核