離心機轉鼓爆裂事故分析

時間：2015年12月22日信息來源：湘智離心機字體：大中小【打印此頁】

湯新文，陳海輝
1?shy;西省鍋幢所，扛西南昌 330029；
2．華南理工太學工控學院廣末廣州 510640
1基本情況
     某糖廠煮煉車間2#甲糖分離機(型號為XZ1200B型上懸式自動卸料離心機．以下簡稱離心機)在運行中轉鼓(篩藍)突然爆裂，撞擊離心機轉鼓保護外殼．使部分外殼飛脫擊中操作臺面的四名人員，造成重大傷亡事故：據櫧廣介紹該離心機已運行了十八年在該榨季一直安全運行事故發生前，已完成甲糖的第一篩分離．接著進行第：篩，在裝料時正常運轉，但在丹離運轉的加速過程巾，離心機轉鼓突然破裂，造成事故。
事故發生后，?shy;過現場調查，我們割取破裂試樣，進行了各項梭測、強度校棱分析等工作．對離心機轉鼓破裂的?shy;因進行調查分析研究具體分析如下文2離心機轉鼓破裂后各項檢測結果
(1）材料力學性能
    首先要了解該機運行了I8年后，材質有什么變化和對安全運行的影響因此，分別在轉鼓的篩鼓及頂蓋耐處各割取三件試樣，接國標要求加工成?shy;伸武樣，?shy;仲實驗結果與標準值比較見表1。
    從表1對比結果表明：使用l8年后，轉鼓材質的屈服點叫顯提高(分別提高50％和49％)而且接近抗?shy;強度，這表明轉鼓材料由于應力疲勞的作用使其塑性明顯下降．產生材質硬化現象，這就為轉鼓的突然破裂埋下危險隱患從?shy;伸試駐過程中也發現試樣沒有明顯的屈服點，也說明材質有疲勞硬化現象．容易誘發脆性斷裂。

(2)轉鼓壁厚
    為了解使用l8年后的轉鼓壁厚的變化，用超聲波測厚慢對轉鼓的頂蓋、篩鼓及篩孔邊緣部分進行了多點的厚度測量，測試結果與?shy;始壁厚比較如表2

   從表2所列結果可看出：轉鼓材料壁厚減薄現象已?shy;非常嚴重由啼鼓的強度計算結果可知．篩鼓設計計算壁厚為9mm，而現有攝小壁厚(整個篩鼓多處存在)為5.5mm．遠遠不能滿足強度設計的最低要求。因此，轉鼓繼續運行存在非常不安全的隱患轉鼓壁厚減薄的?shy;因．最主要是長期運行中，糖漿液中的徽晶粒對轉鼓的磨損和沖蝕，尤其在篩鼓中下部位．其篩孔邊緣減薄最嚴重，而靠近蓋板的啼鼓(轉鼓上部位)壁厚臧薄較小同時在運行中應力反復變化和工作介質的作用產生的應力腐蝕．也可能使壁厚減薄
(3)機械強度校棱
事故離心機?shy;始資料中．未提供離心機的設計計算書．為了解轉鼓的設計合理性、可靠性、為驤薄的轉鼓提供安全可靠性分析依據，我們對轉鼓的機械強度進行丁校核．從校核結果表明：
① 轉鼓的設計是合理的．可靠的，取?shy;始壁厚12mm的20g材料，已留有較大的安全系數(設計壁厚為9mm)，按此壁厚計算，轉鼓的理論總應力為77．2'MPa．遠低于材料的許甩應力(10OMP口)。
② 當壁厚減薄至設計壁厚時，其總應力等于許用應力；當壁厚減薄至7mm時．其總應力提高到IlI 9MPa，已超過許用應力l1．9％；當壁厚減薄至5mm時，其總應力提高到145MPa，已超過許用應力45％。
⑧ 當轉鼓中增加物料由500kg(正常)增加到600kg時，轉鼓的應力增加。如壁薄減薄至7mm時，其總應力提高到136．9MPa，已超許用應力36．9％；如壁厚減薄至5mm時，其總應力提高到180MPa，已超許用應力80％。
綜上分析所述，轉鼓壁厚的明顯減薄和轉鼓裝料的增加，均會使轉鼓承受的總應力大大提高，大大超過了材質的許用應力，成為該轉鼓破裂的主要?shy;因之一。但按屈服應力選取以上情況的最小安全系數~=245／180=1．36，此值雖然低于規定值 =2～2．5，但材料離屈服還有相當距離，僅僅從轉鼓的薄膜應力觀點還難以解釋轉鼓突然爆裂，這與文獻報道了一臺直徑為800mm的三足式離心機轉鼓的爆裂事故非常相似。文獻報道的轉鼓材料為1Crl8Ni9Ti，屈服應力 =200MPa。在許用應力[叮1=67．5MPa時，轉鼓壁厚應為6．2mm，當實際壁厚由于腐蝕減薄到3mm時，離心機轉鼓發生了爆裂。轉鼓壁厚3mm時。其實際應力推算為1刪Pa。
按屈服應力選取的安全系數n,=200／140=-1．43，此值雖然低于通常值 =2～2．5，但材料離屈服還有相當距離，僅僅從轉鼓的薄膜應力觀點還難以判斷事故的根源。文獻從轉鼓屈曲(失圓)的觀點出發，推算SSN800離心機轉鼓的最小應該壁厚為6mm才能保持其剛度。指出事故的根源不僅在于焊縫質量差，還在于轉鼓剛度不足。
    文獻認為三足式離心機由于轉鼓壁太薄、焊縫質量所造成的轉鼓爆裂事故所占比例非常高。文獻報道了4起因離心機使用時間過長、腐蝕嚴重，使轉鼓變薄而導致轉鼓運轉時爆裂事故。其中有1起“因離心機受紅礬鈉嚴重腐蝕，轉鼓壁厚僅3mm，且外殼為鑄鐵材質，厚薄不均，加上投料量過大，致使離心機突然破碎成126塊”。《機械工程手冊》離心機篇對轉鼓壁厚計算時的安全系數選取已給定一個范圍，即屈服強度安全系數n~=2-2．5。以轉鼓直徑800的三足式離心機為例，按n=2-2．5進行壁厚設計時，壁厚應取5~7mm (不計腐蝕余量)，當轉鼓壁厚僅僅為3mm，通常發生爆裂。
(4)材料金相分析
在轉鼓頂蓋上和篩鼓板上各取一塊試樣，進行常規的金相分析，分析結果表明金相組織屬鐵素體和珠光體，兩種試樣均屬正常組織。
(5)破裂部位
仔細觀察轉鼓破裂的各部分斷口，發現如下現象：
① 在轉鼓蓋板與篩鼓板焊連接處，蓋板撕裂長達320mm左右，其中一段有90aim左右的斷裂口，呈較平滑的斷面，并有焊縫氣孔夾渣等缺陷，具有金屬疲勞斷口的特征，該斷面是轉鼓破裂的起裂點。
② 轉鼓的篩鼓縱向焊縫從上而下被撕裂至篩鼓底部以上第二圈篩孔為止，然后由該處沿周向撕裂第二圈篩孔，其長度約為該圈篩孔圓周長的1／3。觀察上述撕裂的斷面，呈二種形貌：一處是沿壁厚約45。角的剪切面：另一種是沿壁厚呈V形斷面(另一面為反V型斷面)。兩者的斷面均較粗糙，說明了這些斷裂面是撕裂(?shy;伸)產生的，而不是起裂斷面。
3轉鼓破裂?shy;因
綜合以上各項檢測，計算結果和分析意見，我們認為轉鼓破裂的主要?shy;因是轉鼓材料的硬化和壁厚的嚴重減薄。破裂過程如下：
(1)起裂：破裂的起裂點(裂源)在轉鼓頂蓋與篩鼓
焊接連接處。該處焊縫有缺陷，在邊緣應力(4～5倍的許用應力)作用下，裂紋不斷擴展，長度及深度增加，在達到臨界裂紋狀態下，裂紋迅速擴展，該處突然破裂。
(2)點擴大：當轉鼓頂蓋與篩鼓連接處起裂后，由于轉鼓繼續在高速轉動，離心力將裂開部位迅速擴大，首先把頂蓋撕開。
(3)轉鼓撕裂：在頂蓋撕裂后，裂紋沿篩鼓縱向自上而下撕裂至篩鼓底部，再沿周向撕裂第而篩孔，造成轉鼓的嚴重破壞。
(4)保護殼飛脫：轉鼓局部撕裂后直徑擴大，撞擊轉鼓保護殼，使保護殼飛脫，造成人員傷亡。
起裂的綜合?shy;因是材料硬化、壁厚減薄、焊縫有缺陷和加料操作失當造成過大的邊緣應力，引起疲勞斷裂。轉鼓的大面積撕裂?shy;因是材料硬化和壁厚減薄。保護殼飛脫是由于轉鼓大面積撕裂，撞擊轉鼓保護殼。
4討論幾點建議
對現有在役的離心機安全運行提出幾點建議：
(1)對使用10年以上的離心機進行一次較全面的安全檢查。檢查內容包括轉鼓各部件材料測壁厚和硬度，轉鼓上的連接焊縫進行無損探傷，轉鼓的動平衡和轉速控制機構。檢查結果對照有關標準要求，以判別轉鼓是否可繼續安全運轉。
(2)在工廠每年休榨期間的設備檢修工作中，對轉鼓上的連接焊縫進行無損探傷，以及時發現新的裂紋，采取措施，防止事故發生。
(3)進一步完善離心機的操作規程，提高安全運行的可靠性：對于粘度大(BX92—94左右)的糖液料，必須做到均勻加料、穩步加速分離的要求，以避免裝料及布料不均、分離排液困難等引起振動過大、局部應力增加。