１０萬m³浮頂油罐轉動浮梯走輪軸斷裂失效分析

    隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，能源消耗急劇增長，石油和成品油的需求劇增。大型立式鋼制儲罐是石油化工行業(yè)非常重要的儲運設備，越來越多地用于原油、成品油等儲運工程。在各類油庫的建造中，廣泛應用的是大型立式鋼制圓筒形拱頂儲罐和浮頂儲罐。浮頂儲罐是由浮在罐內(nèi)液體介質(zhì)表面的浮頂和立式圓筒形罐壁、罐底及附件所構成，浮頂直接浮在液面上，隨著罐內(nèi)儲液量的增加或減少而上下浮動。

    浮頂油罐罐頂平臺與浮頂之間架設有一轉動浮梯，其主要作用是便于人員經(jīng)過這一通道到達浮頂，對浮頂及其附件進行日常檢查和維護保養(yǎng)。轉動浮梯一旦發(fā)生損壞，浮頂無法正常工作?？梢姡D動浮梯是浮頂油罐的重要部件。

    某煉油廠１０萬m³原油浮頂罐的轉動浮梯走輪軸為軸套結構，在浮頂上用于支撐和轉動。在原油罐收油和付油時，轉動浮梯跟著起伏。２０１３年４月發(fā)生浮梯走輪軸斷裂失效的現(xiàn)象，嚴重影響了儲罐的安全運行。浮梯走輪軸斷裂位置位于軸的中間部位，正常服役時間為３２０００ｈ。

    本工作對１０萬m³浮頂油罐轉動浮梯走輪軸在運行過程出現(xiàn)斷裂失效現(xiàn)象進行原因分析，并提出相關的預防建議，消除再次發(fā)生斷裂的隱患，希望對大型儲罐的安全運行有參考意義。

一 試驗

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，無光澤。圖１（ｂ）為浮梯走輪軸的斷口形貌。斷口表面磨損嚴重，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，未見明顯的塑性變形。圖１（ｂ）的Ａ位置所處的區(qū)域有磨光標記的區(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)域為準解理結構，屬脆性斷裂；同時，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°。按照斷裂力學觀點它是裂紋在平面應力條件下快速斷裂的斷口形貌。

１．２微觀分析

    對斷口進行微觀觀察，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

    取斷軸中心部位的橫截面進行金相組織分析，結果如圖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。另外此種組織說明材料未經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，正常的調(diào)質(zhì)處理的組織應為回火索氏體，而且該組織也非優(yōu)良的正火組織，因為優(yōu)良的正火組織應為塊狀鐵素體和細小珠光體片。

１．４材質(zhì)分析

    對樣品進行材質(zhì)分析，結果如表１所示。將測試結果與ＧＢ／Ｔ６９９－１９９９標準比較發(fā)現(xiàn)扶梯軸材質(zhì)成分中硅含量０．４７，錳含量１．４１，結果表明材質(zhì)不符合優(yōu)質(zhì)的低碳鋼標準。

１．５力學測試

    硬度測試結果如表２所示。依據(jù)ＧＢ／Ｔ６９９－１９９９標準，其硬度應小于等于１９７（ＨＢ），從檢測值上符合標準。沖擊功測試結果顯示，其沖擊功檢測值為４１Ｊ，按照ＧＢ／Ｔ６９９－１９９９標準，其沖擊功數(shù)值應不小于３９，因此符合標準，但抗沖擊性能相對不高。

二 結果與討論

    由于浮頂罐的浮梯走輪軸為軸套結構，在罐頂上用于支撐和轉動。原油罐收油和付油時，浮盤頂部的轉動浮梯跟著起伏，浮梯走輪軸受到交變應力的影響，同時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。

   結合對浮梯走輪軸材質(zhì)的分析結果，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 結論及建議　

根據(jù)以上原因分析，得到以下結論并提出建議。

結論：

（１）走輪軸的材質(zhì)ＨＴ２００硅含量，錳含量過高，導致走輪軸材質(zhì)力學性能下降。

（２）低碳鋼材質(zhì)的走輪軸在軸套結構運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)應升級，可選用合金鋼如２Ｃｒ１３；

（２）走輪軸軸套（銅套）結構，橫向開設注油槽，保持良好潤滑；

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