橡胶装置凝聚釜搅拌轴断裂原因分析
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[摘 要]分析橡胶装置搅拌釜中间轴断裂失效原因，并对其功率进行了核算，提高了对搅拌器轴受力的认知，增加了设备管理经验，达到稳定生产的目的。
[关键词]反应釜；轴；断裂；功率
中图分类号：TQ333.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）40-0319-01
某橡胶装置凝聚釜搅拌器BR-202为该装置关键设备，其作用是利用釜内的三层搅拌桨搅拌使反应生成的橡胶与溶剂及丁二烯充分分离，产出含溶剂量不大于胶量的3%（wt）的胶粒水。
该搅拌器为桨式搅拌器，有上、中、下三层搅拌桨叶，操作温度90℃，操作压力0.03MPa，转速115r/min；功率75kW。
1 故障现象
该搅拌器在2012年7月运行过程中发生中间轴断裂的故障，严重生产的平稳运行，同时给装置安全生产带来了很大的隐患。
2 搅拌轴断裂失效分析
2.1 宏观分析：此搅拌器中间轴，材质为2Cr13，断裂处轴颈φ135mm断口表面较为平直，呈细瓷状，无金属光泽，无明显宏观塑性变形迹象，断口表面与该轴的基线垂直，呈现脆性断裂的特征。采用10倍放大镜仔细观察，整个断口平整、光滑，可见到疲劳弧线，断口呈现疲劳断裂特征。该轴瞬间断裂区较小、呈现纤维形貌特征，说明该材料有一定的韧性。
2.2 扫描电镜分析：将断口经过多次超声波清洗后，在扫描电子显微镜内进行高倍观察。发现断口处依稀有多道并行的疲劳辉纹。可见设备受交变载荷是搅拌器中间轴断裂的原因之一。
2.3 能谱分析：采用能谱仪度该轴断口表面进行半定量元素分析，其中表面含有较多的C元素，说明断口表面还有残留的橡胶，分析中未见腐蚀性元素。
2.4 微观分析：将该轴样品，经过粗磨，多次细磨及抛光后，未腐蚀前在金相显微镜下未见二次裂纹及超标冶金缺陷。样品经王水侵蚀后，该轴表层显微组织为：回火马氏体+铁素体。轴心处组织为：回火索氏体。表层组织较心部组织粗大。搅拌器中间轴铁素体含量超标会造成钢的冲击韧性显著降低，铁素体的晶粒粗大也影响了材料的性能，易产沿晶裂纹。
3 搅拌器实际功率核算
多层搅拌器的搅拌功率计算[1]：
Pc= Pocρn3D5j （1）
式中：Pc-多层搅拌器总功率；
Poc-多层搅拌器的搅拌总功率准数；
ρ-液体密度，kg/m3；
n-搅拌轴转速，r/s；
Dj-搅拌器直径，m。
（1） 对于三层搅拌器总功率准数Poc的确定
Poc=Po1+（Po2+ Po3）（Pon/Po） （2）
其中：Po1-底部搅拌器的搅拌功率准数；
Po2-第二层搅拌器的搅拌功率准数；
Po3-第三层搅拌器的搅拌功率准数；
Pon-第n层搅拌器的搅拌功率准数；
Po-搅拌功率准数。
（2） 对于不同形式搅拌器的三层搅拌器的（Pon/ Po）值确定
D1=1000mm，D2=1380mm，D3=1380mm；
S1-2=3606mm，S2-3=3940mm。
S2-3>S1-2>D2=D3>D1，所以取
（Pon/Po）=1.0
其中：D1-第一层搅拌器直径，mm；
D2-第二层搅拌器直径，mm；
D3-第二层搅拌器直径，mm；
S1-2-第一、二层搅拌器间距，mm；
S2-3-第二、三层搅拌器间距，mm；
因此BR-202搅拌器的功率为：
Poc = Po1+ Po2+ Po3 （3）
由于凝聚釜主要是处理从聚合终止釜来的胶液，除含有百分之十几的顺丁橡胶外，还含有大量的溶剂和未反应的丁二烯以及残存的催化剂等，一般情况下凝聚釜内介质水胶比控制在10左右[2]。
由表1计算得：
混合液体的密度[3]为982.6 Kg/m3，混合液体粘度为：56.71×10-5Pa・s
由于：雷诺准数[4]：Re=（ρnD2j）/μ （4）
式中 ρ―密度，kg/m3；n―搅拌转速， r/s；Dj―搅拌直径，m；μ―物料粘度，Pa・s。
在第三层和第二层处为：
Re3=Re2=（ρnD2j）/μ
=（982.6×115/60×1.382）/（56.71×10-5）
=6.32×106
而最底层处为：
Re1=（ρnD2 j）/μ
=（982.6×115/60×12）/（56.71×10-5）
=3.32×106
查图[1]
图1 釜内液体雷诺数和功率的关系
得Po1≈Po2= Po3≈0.65
所以： Poc=1.95
利用试验数据和公式（1）、（2）、（3）、（4）计算出多层搅拌器的最大搅拌功率：
Pcmax= Pocρn3D5j
=1.95×982.6×（115/60）3×1.385
=67.822KW
搅拌器设计额定功率为75Kw，则搅拌器运行时实际功率接近设备额定功率。
4 结语
（1）经分析可知，BR-202凝聚釜搅拌器中间轴由于材质中含有较多的铁素体，加之该轴的变径处会产生应力集中，从而形成了裂纹源。
（2）该搅拌器中间轴在设备开停过程中还承受有交变载荷，裂纹以疲劳的方式进行扩展，加剧了搅拌轴断裂失效。
（3）计算所得的功率与搅拌器额定功率接近，由于搅拌器的断裂始终发生在变径处，这进一步说明在开停设备时，搅拌器轴变径处所受的扭矩接近轴的极限。
由此可见在一次次的开停设备时，搅拌器轴变径处一次次的受到不同方向的载荷，同时搅拌器中间轴含有较多的铁素体提供了裂纹产生的可能，导致了设备发生断轴的事故。
参考文献
[1] 朱有庭.化工设备设计手册[M].北京：化学工业出版社，2005：103-150.
[2] 张洋.顺丁橡胶生产[M].北京：石油化学工业出版社，1978：85-90.
[3] 王松汉.石油化工设计手册[M].北京：化学工业出版社，2002：518-817.
[4] HG/T20596-1994.机械搅拌设备[S].中华人民共和国化学工业部：沈鹏飞，1995.
作者简介
张晓野，男，助理工程师，现从事设备管理工作。