离心机转鼓爆裂事故分析

汤新文 ，陈海辉
1?shy;西省锅幢所， 扛西南昌 330029；
2．华南理工太学工控学院 广末广州 510640
1基本情况
     某糖厂煮炼车间2#甲糖分离机(型号为XZ1200B型上悬式自动卸料离心机．以下简称离心机)在运行中转鼓(筛蓝)突然爆裂，撞击离心机转鼓保护外壳．使部分外壳飞脱 击中操作台面的四名人员，造成重大伤亡事故：据槠广介绍该离心机已运行了十八年 在该榨季一直安全运行 事故发生前，已完成甲糖的第一筛分离．接着进行第：筛，在装料时正常运转，但在丹离运转的加速过程巾，离心机转鼓突然破裂，造成事故。
事故发生后，?shy;过现场调查，我们割取破裂试样，进行了各项梭测、强度校棱分析等工作．对离心机转鼓破裂的?shy;因进行调查分析研究 具体分析如下文2离心机转鼓破裂后各项检测结果
(1） 材料力学性能
    首先要了解该机运行了I8年后，材质有什么变化和对安全运行的影响 因此，分别在转鼓的筛鼓及顶盖耐处各割取三件试样，接国标要求加工成?shy;伸武样，?shy;仲实验结果与标准值比较见表1。
    从表1对比结果表明：使用l8年后，转鼓材质的屈服点叫显提高(分别提高50％和49％)而且接近抗?shy;强度，这表明转鼓材料由于应力疲劳的作用使其塑性明显下降．产生材质硬化现象，这就为转鼓的突然破裂埋下危险隐患 从?shy;伸试驻过程中也发现 试样没有明显的屈服点，也说明材质有疲劳硬化现象．容易诱发脆性断裂。

(2)转鼓壁厚
    为了解使用l8年后的转鼓壁厚的变化，用超声波测厚慢对转鼓的顶盖、筛鼓及筛孔边缘部分进行了多点的厚度测量，测试结果与?shy;始壁厚比较如表2

   从表2所列结果可看出：转鼓材料壁厚减薄现象已?shy;非常严重 由啼鼓的强度计算结果可知．筛鼓设计计算壁厚为9mm，而现有摄小壁厚(整个筛鼓多处存在)为5.5mm．远远不能满足强度设计的最低要求。因此，转鼓继续运行存在非常不安全的隐患转鼓壁厚减薄的?shy;因．最主要是长期运行中，糖浆液中的徽晶粒对转鼓的磨损和冲蚀，尤其在筛鼓中下部位．其筛孔边缘减薄最严重，而靠近盖板的啼鼓(转鼓上部位)壁厚臧薄较小 同时在运行中应力反复变化和工作介质的作用产生的应力腐蚀．也可能使壁厚减薄
(3)机械强度校棱
事故离心机?shy;始资料中．未提供离心机的设计计算书．为了解转鼓的设计合理性、可靠性、为骧薄的转鼓提供安全可靠性分析依据，我们对转鼓的机械强度进行丁校核．从校核结果表明：
① 转鼓的设计是合理的．可靠的，取?shy;始壁厚12mm的20g材料，已留有较大的安全系数(设计壁厚为9mm)，按此壁厚计算，转鼓的理论总应力为77．2'MPa．远低于材料的许甩应力(10OMP口)。
② 当壁厚减薄至设计壁厚时，其总应力等于许用应力；当壁厚减薄至7mm时．其总应力提高到IlI 9MPa，已超过许用应力l1．9％；当壁厚减薄至5mm时，其总应力提高到145MPa，已超过许用应力45％。
⑧ 当转鼓中增加物料由500kg(正常)增加到600kg时，转鼓的应力增加。如壁薄减薄至7mm时，其总应力提高到136．9MPa，已超许用应力36．9％ ；如壁厚减薄至5mm时，其总应力提高到180MPa，已超许用应力80％。
综上分析所述，转鼓壁厚的明显减薄和转鼓装料的增加，均会使转鼓承受的总应力大大提高，大大超过了材质的许用应力，成为该转鼓破裂的主要?shy;因之一。但按屈服应力选取以上情况的最小安全系数~=245／180=1．36，此值虽然低于规定值 =2～2．5，但材料离屈服还有相当距离，仅仅从转鼓的薄膜应力观点还难以解释转鼓突然爆裂，这与文献报道了一台直径为800mm的三足式离心机转鼓的爆裂事故非常相似。文献报道的转鼓材料为1Crl8Ni9Ti，屈服应力 =200MPa。在许用应力[叮1=67．5MPa时，转鼓壁厚应为6．2mm，当实际壁厚由于腐蚀减薄到3mm时，离心机转鼓发生了爆裂。转鼓壁厚3mm时。其实际应力推算为1删Pa。
按屈服应力选取的安全系数n,=200／140=-1．43，此值虽然低于通常值 =2～2．5，但材料离屈服还有相当距离，仅仅从转鼓的薄膜应力观点还难以判断事故的根源。文献从转鼓屈曲(失圆)的观点出发，推算SSN800离心机转鼓的最小应该壁厚为6mm才能保持其刚度。指出事故的根源不仅在于焊缝质量差，还在于转鼓刚度不足。
    文献认为三足式离心机由于转鼓壁太薄、焊缝质量所造成的转鼓爆裂事故所占比例非常高。文献报道了4起因离心机使用时间过长、腐蚀严重，使转鼓变薄而导致转鼓运转时爆裂事故。其中有1起“因离心机受红矾钠严重腐蚀，转鼓壁厚仅3mm，且外壳为铸铁材质，厚薄不均，加上投料量过大，致使离心机突然破碎成126块”。《机械工程手册》离心机篇对转鼓壁厚计算时的安全系数选取已给定一个范围，即屈服强度安全系数n~=2-2．5。以转鼓直径800的三足式离心机为例，按n=2-2．5进行壁厚设计时，壁厚应取5~7mm (不计腐蚀余量)，当转鼓壁厚仅仅为3mm，通常发生爆裂。
(4)材料金相分析
在转鼓顶盖上和筛鼓板上各取一块试样，进行常规的金相分析，分析结果表明金相组织属铁素体和珠光体，两种试样均属正常组织。
(5)破裂部位
仔细观察转鼓破裂的各部分断口，发现如下现象：
① 在转鼓盖板与筛鼓板焊连接处，盖板撕裂长达320mm左右，其中一段有90aim左右的断裂口，呈较平滑的断面，并有焊缝气孔夹渣等缺陷，具有金属疲劳断口的特征，该断面是转鼓破裂的起裂点。
② 转鼓的筛鼓纵向焊缝从上而下被撕裂至筛鼓底部以上第二圈筛孔为止，然后由该处沿周向撕裂第二圈筛孔，其长度约为该圈筛孔圆周长的1／3。观察上述撕裂的断面，呈二种形貌：一处是沿壁厚约45。角的剪切面：另一种是沿壁厚呈V形断面(另一面为反V型断面)。两者的断面均较粗糙，说明了这些断裂面是撕裂(?shy;伸)产生的，而不是起裂断面。
3转鼓破裂?shy;因
综合以上各项检测，计算结果和分析意见，我们认为转鼓破裂的主要?shy;因是转鼓材料的硬化和壁厚的严重减薄。破裂过程如下：
(1)起裂：破裂的起裂点(裂源)在转鼓顶盖与筛鼓
焊接连接处。该处焊缝有缺陷，在边缘应力(4～5倍的许用应力)作用下，裂纹不断扩展，长度及深度增加，在达到临界裂纹状态下，裂纹迅速扩展，该处突然破裂。
(2)点扩大：当转鼓顶盖与筛鼓连接处起裂后，由于转鼓继续在高速转动，离心力将裂开部位迅速扩大，首先把顶盖撕开。
(3)转鼓撕裂：在顶盖撕裂后，裂纹沿筛鼓纵向自上而下撕裂至筛鼓底部，再沿周向撕裂第而筛孔，造成转鼓的严重破坏。
(4)保护壳飞脱：转鼓局部撕裂后直径扩大，撞击转鼓保护壳，使保护壳飞脱，造成人员伤亡。
起裂的综合?shy;因是材料硬化、壁厚减薄、焊缝有缺陷和加料操作失当造成过大的边缘应力，引起疲劳断裂。转鼓的大面积撕裂?shy;因是材料硬化和壁厚减薄。保护壳飞脱是由于转鼓大面积撕裂，撞击转鼓保护壳。
4讨论几点建议
对现有在役的离心机安全运行提出几点建议：
(1)对使用10年以上的离心机进行一次较全面的安全检查。检查内容包括转鼓各部件材料测壁厚和硬度，转鼓上的连接焊缝进行无损探伤，转鼓的动平衡和转速控制机构。检查结果对照有关标准要求，以判别转鼓是否可继续安全运转。
(2)在工厂每年休榨期间的设备检修工作中，对转鼓上的连接焊缝进行无损探伤，以及时发现新的裂纹，采取措施，防止事故发生。
(3)进一步完善离心机的操作规程，提高安全运行的可靠性：对于粘度大(BX92—94左右)的糖液料，必须做到均匀加料、稳步加速分离的要求，以避免装料及布料不均、分离排液困难等引起振动过大、局部应力增加。