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離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓爆裂事故分析

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(xué)工控學(xué)院 廣末廣州 510640
1基本情況
     某糖廠煮煉車間2#甲糖分離機(jī)(型號為XZ1200B型上懸式自動(dòng)卸料離心機(jī)．以下簡稱離心機(jī))在運(yùn)行中轉(zhuǎn)鼓(篩藍(lán))突然爆裂，撞擊離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓保護(hù)外殼．使部分外殼飛脫 擊中操作臺(tái)面的四名人員，造成重大傷亡事故：據(jù)櫧廣介紹該離心機(jī)已運(yùn)行了十八年 在該榨季一直安全運(yùn)行 事故發(fā)生前，已完成甲糖的第一篩分離．接著進(jìn)行第：篩，在裝料時(shí)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但在丹離運(yùn)轉(zhuǎn)的加速過程巾，離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓突然破裂，造成事故。
事故發(fā)生后，?shy;過現(xiàn)場調(diào)查，我們割取破裂試樣，進(jìn)行了各項(xiàng)梭測、強(qiáng)度校棱分析等工作．對離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓破裂的?shy;因進(jìn)行調(diào)查分析研究 具體分析如下文2離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓破裂后各項(xiàng)檢測結(jié)果
(1） 材料力學(xué)性能
    首先要了解該機(jī)運(yùn)行了I8年后，材質(zhì)有什么變化和對安全運(yùn)行的影響 因此，分別在轉(zhuǎn)鼓的篩鼓及頂蓋耐處各割取三件試樣，接國標(biāo)要求加工成?shy;伸武樣，?shy;仲實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值比較見表1。
    從表1對比結(jié)果表明：使用l8年后，轉(zhuǎn)鼓材質(zhì)的屈服點(diǎn)叫顯提高(分別提高50％和49％)而且接近抗?shy;強(qiáng)度，這表明轉(zhuǎn)鼓材料由于應(yīng)力疲勞的作用使其塑性明顯下降．產(chǎn)生材質(zhì)硬化現(xiàn)象，這就為轉(zhuǎn)鼓的突然破裂埋下危險(xiǎn)隱患 從?shy;伸試駐過程中也發(fā)現(xiàn) 試樣沒有明顯的屈服點(diǎn)，也說明材質(zhì)有疲勞硬化現(xiàn)象．容易誘發(fā)脆性斷裂。

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

   從表2所列結(jié)果可看出：轉(zhuǎn)鼓材料壁厚減薄現(xiàn)象已?shy;非常嚴(yán)重 由啼鼓的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果可知．篩鼓設(shè)計(jì)計(jì)算壁厚為9mm，而現(xiàn)有攝小壁厚(整個(gè)篩鼓多處存在)為5.5mm．遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)的最低要求。因此，轉(zhuǎn)鼓繼續(xù)運(yùn)行存在非常不安全的隱患轉(zhuǎn)鼓壁厚減薄的?shy;因．最主要是長期運(yùn)行中，糖漿液中的徽晶粒對轉(zhuǎn)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(yán)重，而靠近蓋板的啼鼓(轉(zhuǎn)鼓上部位)壁厚臧薄較小 同時(shí)在運(yùn)行中應(yīng)力反復(fù)變化和工作介質(zhì)的作用產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕．也可能使壁厚減薄
(3)機(jī)械強(qiáng)度校棱
事故離心機(jī)?shy;始資料中．未提供離心機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算書．為了解轉(zhuǎn)鼓的設(shè)計(jì)合理性、可靠性、為驤薄的轉(zhuǎn)鼓提供安全可靠性分析依據(jù)，我們對轉(zhuǎn)鼓的機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行丁校核．從校核結(jié)果表明：
① 轉(zhuǎn)鼓的設(shè)計(jì)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(shù)(設(shè)計(jì)壁厚為9mm)，按此壁厚計(jì)算，轉(zhuǎn)鼓的理論總應(yīng)力為77．2'MPa．遠(yuǎn)低于材料的許甩應(yīng)力(10OMP口)。
② 當(dāng)壁厚減薄至設(shè)計(jì)壁厚時(shí)，其總應(yīng)力等于許用應(yīng)力；當(dāng)壁厚減薄至7mm時(shí)．其總應(yīng)力提高到IlI 9MPa，已超過許用應(yīng)力l1．9％；當(dāng)壁厚減薄至5mm時(shí)，其總應(yīng)力提高到145MPa，已超過許用應(yīng)力45％。
⑧ 當(dāng)轉(zhuǎn)鼓中增加物料由500kg(正常)增加到600kg時(shí)，轉(zhuǎn)鼓的應(yīng)力增加。如壁薄減薄至7mm時(shí)，其總應(yīng)力提高到136．9MPa，已超許用應(yīng)力36．9％ ；如壁厚減薄至5mm時(shí)，其總應(yīng)力提高到180MPa，已超許用應(yīng)力80％。
綜上分析所述，轉(zhuǎn)鼓壁厚的明顯減薄和轉(zhuǎn)鼓裝料的增加，均會(huì)使轉(zhuǎn)鼓承受的總應(yīng)力大大提高，大大超過了材質(zhì)的許用應(yīng)力，成為該轉(zhuǎn)鼓破裂的主要?shy;因之一。但按屈服應(yīng)力選取以上情況的最小安全系數(shù)~=245／180=1．36，此值雖然低于規(guī)定值 =2～2．5，但材料離屈服還有相當(dāng)距離，僅僅從轉(zhuǎn)鼓的薄膜應(yīng)力觀點(diǎn)還難以解釋轉(zhuǎn)鼓突然爆裂，這與文獻(xiàn)報(bào)道了一臺(tái)直徑為800mm的三足式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的爆裂事故非常相似。文獻(xiàn)報(bào)道的轉(zhuǎn)鼓材料為1Crl8Ni9Ti，屈服應(yīng)力 =200MPa。在許用應(yīng)力[叮1=67．5MPa時(shí)，轉(zhuǎn)鼓壁厚應(yīng)為6．2mm，當(dāng)實(shí)際壁厚由于腐蝕減薄到3mm時(shí)，離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓發(fā)生了爆裂。轉(zhuǎn)鼓壁厚3mm時(shí)。其實(shí)際應(yīng)力推算為1刪Pa。
按屈服應(yīng)力選取的安全系數(shù)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(dāng)距離，僅僅從轉(zhuǎn)鼓的薄膜應(yīng)力觀點(diǎn)還難以判斷事故的根源。文獻(xiàn)從轉(zhuǎn)鼓屈曲(失圓)的觀點(diǎn)出發(fā)，推算SSN800離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的最小應(yīng)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(zhì)量差，還在于轉(zhuǎn)鼓剛度不足。
    文獻(xiàn)認(rèn)為三足式離心機(jī)由于轉(zhuǎn)鼓壁太薄、焊縫質(zhì)量所造成的轉(zhuǎn)鼓爆裂事故所占比例非常高。文獻(xiàn)報(bào)道了4起因離心機(jī)使用時(shí)間過長、腐蝕嚴(yán)重，使轉(zhuǎn)鼓變薄而導(dǎo)致轉(zhuǎn)鼓運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)爆裂事故。其中有1起“因離心機(jī)受紅礬鈉嚴(yán)重腐蝕，轉(zhuǎn)鼓壁厚僅3mm，且外殼為鑄鐵材質(zhì)，厚薄不均，加上投料量過大，致使離心機(jī)突然破碎成126塊”?！稒C(jī)械工程手冊》離心機(jī)篇對轉(zhuǎn)鼓壁厚計(jì)算時(shí)的安全系數(shù)選取已給定一個(gè)范圍，即屈服強(qiáng)度安全系數(shù)n~=2-2．5。以轉(zhuǎn)鼓直徑800的三足式離心機(jī)為例，按n=2-2．5進(jìn)行壁厚設(shè)計(jì)時(shí)，壁厚應(yīng)取5~7mm (不計(jì)腐蝕余量)，當(dāng)轉(zhuǎn)鼓壁厚僅僅為3mm，通常發(fā)生爆裂。
(4)材料金相分析
在轉(zhuǎn)鼓頂蓋上和篩鼓板上各取一塊試樣，進(jìn)行常規(guī)的金相分析，分析結(jié)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(xì)觀察轉(zhuǎn)鼓破裂的各部分?jǐn)嗫?，發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象：
① 在轉(zhuǎn)鼓蓋板與篩鼓板焊連接處，蓋板撕裂長達(dá)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(zhuǎn)鼓破裂的起裂點(diǎn)。
② 轉(zhuǎn)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(chǎn)生的，而不是起裂斷面。
3轉(zhuǎn)鼓破裂?shy;因
綜合以上各項(xiàng)檢測，計(jì)算結(jié)果和分析意見，我們認(rèn)為轉(zhuǎn)鼓破裂的主要?shy;因是轉(zhuǎn)鼓材料的硬化和壁厚的嚴(yán)重減薄。破裂過程如下：
(1)起裂：破裂的起裂點(diǎn)(裂源)在轉(zhuǎn)鼓頂蓋與篩鼓
焊接連接處。該處焊縫有缺陷，在邊緣應(yīng)力(4～5倍的許用應(yīng)力)作用下，裂紋不斷擴(kuò)展，長度及深度增加，在達(dá)到臨界裂紋狀態(tài)下，裂紋迅速擴(kuò)展，該處突然破裂。
(2)點(diǎn)擴(kuò)大：當(dāng)轉(zhuǎn)鼓頂蓋與篩鼓連接處起裂后，由于轉(zhuǎn)鼓繼續(xù)在高速轉(zhuǎn)動(dòng)，離心力將裂開部位迅速擴(kuò)大，首先把頂蓋撕開。
(3)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)鼓的嚴(yán)重破壞。
(4)保護(hù)殼飛脫：轉(zhuǎn)鼓局部撕裂后直徑擴(kuò)大，撞擊轉(zhuǎn)鼓保護(hù)殼，使保護(hù)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(dāng)造成過大的邊緣應(yīng)力，引起疲勞斷裂。轉(zhuǎn)鼓的大面積撕裂?shy;因是材料硬化和壁厚減薄。保護(hù)殼飛脫是由于轉(zhuǎn)鼓大面積撕裂，撞擊轉(zhuǎn)鼓保護(hù)殼。
4討論幾點(diǎn)建議
對現(xiàn)有在役的離心機(jī)安全運(yùn)行提出幾點(diǎn)建議：
(1)對使用10年以上的離心機(jī)進(jìn)行一次較全面的安全檢查。檢查內(nèi)容包括轉(zhuǎn)鼓各部件材料測壁厚和硬度，轉(zhuǎn)鼓上的連接焊縫進(jìn)行無損探傷，轉(zhuǎn)鼓的動(dòng)平衡和轉(zhuǎn)速控制機(jī)構(gòu)。檢查結(jié)果對照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，以判別轉(zhuǎn)鼓是否可繼續(xù)安全運(yùn)轉(zhuǎn)。
(2)在工廠每年休榨期間的設(shè)備檢修工作中，對轉(zhuǎn)鼓上的連接焊縫進(jìn)行無損探傷，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)新的裂紋，采取措施，防止事故發(fā)生。
(3)進(jìn)一步完善離心機(jī)的操作規(guī)程，提高安全運(yùn)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(wěn)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(dòng)過大、局部應(yīng)力增加。