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離心機轉(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(zhuǎn)鼓(篩藍)突然爆裂，撞擊離心機轉(zhuǎn)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(jù)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(fā)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(zhuǎn)，但在丹離運轉(zhuǎn)的加速過程巾，離心機轉(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，進行了各項梭測、強度校棱分析等工作．對離心機轉(zhuǎn)鼓破裂的?shy;因進行調(diào)查分析研究 具體分析如下文2離心機轉(zhuǎn)鼓破裂后各項檢測結(jié)果
(1） 材料力學性能
    首先要了解該機運行了I8年后，材質(zhì)有什么變化和對安全運行的影響 因此，分別在轉(zhuǎn)鼓的篩鼓及頂蓋耐處各割取三件試樣，接國標要求加工成?shy;伸武樣，?shy;仲實驗結(jié)果與標準值比較見表1。
    從表1對比結(jié)果表明：使用l8年后，轉(zhuǎn)鼓材質(zhì)的屈服點叫顯提高(分別提高50％和49％)而且接近抗?shy;強度，這表明轉(zhuǎn)鼓材料由于應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，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行了多點的厚度測量，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;非常嚴重 由啼鼓的強度計算結(jié)果可知．篩鼓設計計算壁厚為9mm，而現(xiàn)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(zhuǎn)鼓繼續(xù)運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重，而靠近蓋板的啼鼓(轉(zhuǎn)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(zhì)的作用產(chǎn)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(zhuǎn)鼓的設計合理性、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)鼓的機械強度進行丁校核．從校核結(jié)果表明：
① 轉(zhuǎn)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(shù)(設計壁厚為9mm)，按此壁厚計算，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)鼓中增加物料由500kg(正常)增加到600kg時，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)鼓壁厚的明顯減薄和轉(zhuǎn)鼓裝料的增加，均會使轉(zhuǎn)鼓承受的總應力大大提高，大大超過了材質(zhì)的許用應力，成為該轉(zhuǎn)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(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距離，僅僅從轉(zhuǎn)鼓的薄膜應力觀點還難以解釋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)鼓的爆裂事故非常相似。文獻報道的轉(zhuǎn)鼓材料為1Crl8Ni9Ti，屈服應力 =200MPa。在許用應力[叮1=67．5MPa時，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)鼓發(fā)生了爆裂。轉(zhuǎn)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(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距離，僅僅從轉(zhuǎn)鼓的薄膜應力觀點還難以判斷事故的根源。文獻從轉(zhuǎn)鼓屈曲(失圓)的觀點出發(fā)，推算SSN800離心機轉(zhuǎn)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(zhì)量差，還在于轉(zhuǎn)鼓剛度不足。
    文獻認為三足式離心機由于轉(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。文獻報道了4起因離心機使用時間過長、腐蝕嚴重，使轉(zhuǎn)鼓變薄而導致轉(zhuǎn)鼓運轉(zhuǎn)時爆裂事故。其中有1起“因離心機受紅礬鈉嚴重腐蝕，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，致使離心機突然破碎成126塊”?！稒C械工程手冊》離心機篇對轉(zhuǎn)鼓壁厚計算時的安全系數(shù)選取已給定一個范圍，即屈服強度安全系數(shù)n~=2-2．5。以轉(zhuǎn)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(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
仔細觀察轉(zhuǎn)鼓破裂的各部分斷口，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。
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
綜合以上各項檢測，計算結(jié)果和分析意見，我們認為轉(zhuǎn)鼓破裂的主要?shy;因是轉(zhuǎn)鼓材料的硬化和壁厚的嚴重減薄。破裂過程如下：
(1)起裂：破裂的起裂點(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(tài)下，裂紋迅速擴展，該處突然破裂。
(2)點擴大：當轉(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，離心力將裂開部位迅速擴大，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)鼓的嚴重破壞。
(4)保護殼飛脫：轉(zhuǎn)鼓局部撕裂后直徑擴大，撞擊轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)鼓大面積撕裂，撞擊轉(zhuǎn)鼓保護殼。
4討論幾點建議
對現(xiàn)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(nèi)容包括轉(zhuǎn)鼓各部件材料測壁厚和硬度，轉(zhuǎn)鼓上的連接焊縫進行無損探傷，轉(zhuǎn)鼓的動平衡和轉(zhuǎn)速控制機構(gòu)。檢查結(jié)果對照有關(guān)標準要求，以判別轉(zhuǎn)鼓是否可繼續(xù)安全運轉(zhuǎn)。
(2)在工廠每年休榨期間的設備檢修工作中，對轉(zhuǎn)鼓上的連接焊縫進行無損探傷，以及時發(fā)現(xiàn)新的裂紋，采取措施，防止事故發(fā)生。
(3)進一步完善離心機的操作規(guī)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(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過大、局部應力增加。