桨叶断裂失效分析及预防控制

桨叶断裂失效分析及预防控制

桨叶的疲劳断裂图2在化工生产中，喷枪手术器广泛应用于聚吡咯、气体吸收、传热等操作过程。结构简单，施工准备方便。但如果设计不合理、制造不当,则有可能出现桨叶的疲劳断裂。现针对一起桨叶疲劳断裂的实例进行失效原因分析,并据此对桨叶疲劳断裂的预防控制问题进行初步探讨。1桨叶的质及材质某厂为提高生产能力,新投用了数台反应器,所配搅拌器的参数为:操作压力:常压;操作温度:≤110℃;介质:反应溶液(含固率10%,粒径40～50μm);反应条件:溶液反应,间歇操作;电机功率:22kW;转速:69r/min;桨叶形式:开启涡轮式;材质:奥氏体不锈钢;桨叶截面尺寸:254mm×7mm。该批反应器于2002年7月使用,至同年11月,相当一部分搅拌器的桨叶先后出现裂纹,部分桨叶断裂。2桨叶片断裂的失效分析2.1金属光泽断口扩展对断裂桨叶的断口检查发现,裂纹自桨叶迎液面上的安装螺孔边缘萌生(见图1),进而向两侧扩展。断口截面上存在光滑区、粗糙区和变形扭曲区三种不同的区域且左右对称。其中,光滑区和粗糙区之间有明显的圆弧状分界线,且光滑区的面积比粗糙区和变形扭曲区大(见图2)。断口可见金属光泽,无明显腐蚀迹象。总体上表现为疲劳断口特征。2.2叶片折断部的张力分析2.1.1桨叶受力分析桨叶推动物料运动是一个能量传递过程,服从冲量定理。取到搅拌轴中心距离分别为r1、r2、宽度为dr的两个单位高度流体环(见图3),则有:r1处:ωr1·2πr1·dr·ρ/n=F1t,⑴r2处:ωr2·2πr2·dr·ρ/n=F2t,⑵式中:ω为搅拌器旋转的角速度,s-1;r1、r2为所取桨叶推动运动的物料环到搅拌轴中心O的距离,m;dr为桨叶推动运动的物料环宽度,m;ρ为物料的密度,kg/m3;n为桨叶数;F1、F2为桨叶推动物料运动的力,即运动物料作用于桨叶上的力,N;t为力的作用时间,s。⑴/⑵得:r2121/r2222=F1/F2。⑶⑶式说明桨叶某一截面所承受液体作用力的分布规律是:力的大小与该截面到搅拌轴中心距离的平方成正比,设:F=kx2,其中的系数k可由已知的搅拌器功率建立边界条件求出。因桨叶所承受的径向力对某一截面取矩可得该截面所承受的弯矩,可知桨叶任一截面所承受的弯矩为:Mx=lj∫xkx2⋅xdx∫ljxkx2⋅xdx=k(l4j4j-x4)/4,⑷叶片自轮毂处起,取x=0,则Mx等于桨叶根部所承受的弯矩。因此:k=4MI/l4j,⑸式中:MI为桨叶根部所承受的弯矩,N·m;MI可由下面的公式来计算:MI=(9553×Pq)/(Zj·n·cosθ),式中:Pq为每层搅拌器的实际分配功率,kW;θ为桨叶中心线与搅拌轴中心线的夹角,°;Zj为桨叶数量;n为桨叶层数。代入数据后计算出桨叶断裂部位的弯矩为:M=240(N·m)。2.2.2桨叶抗弯截面模量桨叶受弯曲应力作用后,其变形应保持连续,当安装螺孔与桨叶安装板之间的距离不大时(本例仅为23.8mm),桨叶实际变形如图4所示,桨叶的迎液面处于拉伸状态,且其所承受的弯曲应力不能有效传递,此时的弯矩基本由桨叶单独承受。桨叶的抗弯截面模量为:W=h2b/6=2074.3(mm3),式中,h为桨叶的厚度,7mm;b为桨叶宽度,254mm。则桨叶断裂部位的弯曲应力为:σ=M/W=115.7(MPa)。2.2.3确定协同运行工况桨叶受力的波动大小一般与物料特性、操作状况和挡板等内件的数量、形式有关,需通过试验或运行经验确定。设计时根据经验所取波动范围为±40%。2.2.4桨叶结构应力集中按桨叶与桨叶安装板的连接形式,由于安装螺孔与桨叶安装板端部之间的距离很小,两处的弯曲应力相当,且根据弹性力学的圣维南原理,桨叶与桨叶安装板因形状突变(厚度差异)所引起的应力集中未完全衰减,桨叶断裂部位的应力集中应涉及开孔和形状突变两个因素。即使只计开孔的应力集中,根据弹性力学所给出的精确解,对本例该应力集中系数为3。2.2.5平均应力及分子应力根据上述分析,桨叶断裂位置的疲劳循环应力为:最小应力:σmin=115.7×3×(1-40%)=208.3(MPa),最大应力:σmax=115.7×3×(1+40%)=485.9(MPa),平均应力:σm=(σmin+σmax)/2=347.1(MPa),应力幅度:σa=(σmax-σmin)/2=138.8(MPa),当量疲劳应力:σ′=σaKσ+σmΨσ=242.9(MPa),式中:Kσ取1;Ψσ取0.3(高强钢)。根据材料商提供的资料,当疲劳应力为242.9MPa时,材料实测的疲劳寿命约为107次,对应桨叶运行周期约为100天。2.3桨叶断裂的原因根据断口特征和断裂部位的分析,认为本次桨叶断裂是疲劳断裂。3甘蔗疲劳误差的预防和控制3.1桨叶的疲劳校核根据式⑷可计算各截面弯矩(见表1)。从表1可明显看出,当危险截面所处位置小于0.5lj时,该截面所承受的弯矩与桨叶根部所承受的弯矩相比基本相当。当桨叶受力波动较大时,该范围内如存在开孔、形状突变或焊缝缺陷等可能造成应力集中的部位,对其可能出现的疲劳失效应予以高度重视,建议进行疲劳校核。需要特别指出的是,设计过程中应合理确定结构和几何尺寸,防止应力集中的相互叠加。当疲劳强度不足时,增加桨叶厚度是提高疲劳寿命最有效的方法。但此时应考虑桨叶的质量增加对临界转速所产生的影响。3.2板板光洁度在搅拌器的制造过程中,制造单位应设法提高桨叶和桨叶安装板的光洁度,防止表面机械损伤。当桨叶采用焊接方式连接时,应采用适当的方法对焊缝进行检测,杜绝焊接缺陷,并在焊接后对焊缝表面进行打磨,使焊缝表面光滑,圆滑过渡。4桨叶的密封校核(1)本例所分析的桨叶断裂是疲劳断裂。(2)当桨叶受力波动较大时,需进行桨叶的疲劳校核,建议校核