１０萬(wàn)m³浮頂油罐轉(zhuǎn)動(dòng)浮梯走輪軸斷裂失效分析

    隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，能源消耗急劇增長(zhǎng)，石油和成品油的需求劇增。大型立式鋼制儲(chǔ)罐是石油化工行業(yè)非常重要的儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備，越來(lái)越多地用于原油、成品油等儲(chǔ)運(yùn)工程。在各類(lèi)油庫(kù)的建造中，廣泛應(yīng)用的是大型立式鋼制圓筒形拱頂儲(chǔ)罐和浮頂儲(chǔ)罐。浮頂儲(chǔ)罐是由浮在罐內(nèi)液體介質(zhì)表面的浮頂和立式圓筒形罐壁、罐底及附件所構(gòu)成，浮頂直接浮在液面上，隨著罐內(nèi)儲(chǔ)液量的增加或減少而上下浮動(dòng)。

    浮頂油罐罐頂平臺(tái)與浮頂之間架設(shè)有一轉(zhuǎn)動(dòng)浮梯，其主要作用是便于人員經(jīng)過(guò)這一通道到達(dá)浮頂，對(duì)浮頂及其附件進(jìn)行日常檢查和維護(hù)保養(yǎng)。轉(zhuǎn)動(dòng)浮梯一旦發(fā)生損壞，浮頂無(wú)法正常工作。可見(jiàn)，轉(zhuǎn)動(dòng)浮梯是浮頂油罐的重要部件。

    某煉油廠１０萬(wàn)m³原油浮頂罐的轉(zhuǎn)動(dòng)浮梯走輪軸為軸套結(jié)構(gòu)，在浮頂上用于支撐和轉(zhuǎn)動(dòng)。在原油罐收油和付油時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)浮梯跟著起伏。２０１３年４月發(fā)生浮梯走輪軸斷裂失效的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了儲(chǔ)罐的安全運(yùn)行。浮梯走輪軸斷裂位置位于軸的中間部位，正常服役時(shí)間為３２０００ｈ。

    本工作對(duì)１０萬(wàn)m³浮頂油罐轉(zhuǎn)動(dòng)浮梯走輪軸在運(yùn)行過(guò)程出現(xiàn)斷裂失效現(xiàn)象進(jìn)行原因分析，并提出相關(guān)的預(yù)防建議，消除再次發(fā)生斷裂的隱患，希望對(duì)大型儲(chǔ)罐的安全運(yùn)行有參考意義。

一 試驗(yàn)

１．１宏觀觀察

    圖１（ａ）是浮梯走輪軸的形狀及斷軸部位，軸表面粗糙，無(wú)光澤。圖１（ｂ）為浮梯走輪軸的斷口形貌。斷口表面磨損嚴(yán)重，存在明顯的被二次損壞區(qū)域。根據(jù)斷口的宏觀特征，整體較粗糙，未見(jiàn)明顯的塑性變形。圖１（ｂ）的Ａ位置所處的區(qū)域有磨光標(biāo)記的區(qū)域，為疲勞區(qū)域，比較光滑的疲勞區(qū)產(chǎn)生的原因是由于在疲勞裂紋發(fā)生和發(fā)展的區(qū)域，在循環(huán)載荷的作用下，多次發(fā)生撞擊和研磨現(xiàn)象，使疲勞區(qū)形成光滑的外觀。

    除了磨損區(qū)域外，微觀上可觀察到中心斷裂區(qū)域Ｄ的纖維狀形貌Ｂ；其次，宏觀上可看到放射狀條紋所占面積約為整體面積的１／２，微觀上放射狀條紋區(qū)域?yàn)闇?zhǔn)解理結(jié)構(gòu)，屬脆性斷裂；同時(shí)，在Ｃ區(qū)域所示位置，能夠觀察到半環(huán)狀的剪切唇區(qū)。剪切唇表面光滑，與軸的夾角約為４５°。按照斷裂力學(xué)觀點(diǎn)它是裂紋在平面應(yīng)力條件下快速斷裂的斷口形貌。

１．２微觀分析

    對(duì)斷口進(jìn)行微觀觀察，在Ａ疲勞源區(qū)域有大量的二次裂紋和寬大平臺(tái)及少量淺韌窩。在Ｂ放射區(qū)域微觀上觀察主要為脆性的準(zhǔn)解理斷裂形貌。Ｄ區(qū)域斷面微觀形貌可以觀察到，在近裂紋源附近的斷口形貌主要為解理斷裂。

１．３金相檢驗(yàn)

    取斷軸中心部位的橫截面進(jìn)行金相組織分析，結(jié)果如圖３所示。從試樣的金相組織主要為珠光體和網(wǎng)狀鐵素體。組織中晶粒不均勻，珠光體晶粒粗大。另外此種組織說(shuō)明材料未經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理，正常的調(diào)質(zhì)處理的組織應(yīng)為回火索氏體，而且該組織也非優(yōu)良的正火組織，因?yàn)閮?yōu)良的正火組織應(yīng)為塊狀鐵素體和細(xì)小珠光體片。

１．４材質(zhì)分析

    對(duì)樣品進(jìn)行材質(zhì)分析，結(jié)果如表１所示。將測(cè)試結(jié)果與ＧＢ／Ｔ６９９－１９９９標(biāo)準(zhǔn)比較發(fā)現(xiàn)扶梯軸材質(zhì)成分中硅含量０．４７，錳含量１．４１，結(jié)果表明材質(zhì)不符合優(yōu)質(zhì)的低碳鋼標(biāo)準(zhǔn)。

１．５力學(xué)測(cè)試

    硬度測(cè)試結(jié)果如表２所示。依據(jù)ＧＢ／Ｔ６９９－１９９９標(biāo)準(zhǔn)，其硬度應(yīng)小于等于１９７（ＨＢ），從檢測(cè)值上符合標(biāo)準(zhǔn)。沖擊功測(cè)試結(jié)果顯示，其沖擊功檢測(cè)值為４１Ｊ，按照ＧＢ／Ｔ６９９－１９９９標(biāo)準(zhǔn)，其沖擊功數(shù)值應(yīng)不小于３９，因此符合標(biāo)準(zhǔn)，但抗沖擊性能相對(duì)不高。

二 結(jié)果與討論

    由于浮頂罐的浮梯走輪軸為軸套結(jié)構(gòu)，在罐頂上用于支撐和轉(zhuǎn)動(dòng)。原油罐收油和付油時(shí)，浮盤(pán)頂部的轉(zhuǎn)動(dòng)浮梯跟著起伏，浮梯走輪軸受到交變應(yīng)力的影響，同時(shí)使走輪軸表面受到磨損破壞，在表面缺陷處容易產(chǎn)生疲勞裂紋。

   結(jié)合對(duì)浮梯走輪軸材質(zhì)的分析結(jié)果，屬于低碳鋼的材質(zhì)，但是材質(zhì)中錳含量，硅含量偏高，從而降低了走輪軸的強(qiáng)度和沖擊韌性，特別是橫向塑性和沖擊韌性降低更為明顯。

三 結(jié)論及建議　

根據(jù)以上原因分析，得到以下結(jié)論并提出建議。

結(jié)論：

（１）走輪軸的材質(zhì)ＨＴ２００硅含量，錳含量過(guò)高，導(dǎo)致走輪軸材質(zhì)力學(xué)性能下降。

（２）低碳鋼材質(zhì)的走輪軸在軸套結(jié)構(gòu)運(yùn)行中軸表面容易受到磨損而產(chǎn)生表面缺陷。

（３）在循環(huán)交變的應(yīng)力影響下，走輪軸表面缺陷部位容易產(chǎn)生疲勞裂紋，最終發(fā)生斷裂。

建議：

（１）浮梯走輪軸的材質(zhì)應(yīng)升級(jí)，可選用合金鋼如２Ｃｒ１３；

（２）走輪軸軸套（銅套）結(jié)構(gòu)，橫向開(kāi)設(shè)注油槽，保持良好潤(rùn)滑；

（３）油罐浮頂可選用高清攝像頭加強(qiáng)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并消除。