精对苯二甲酸生产装置中TA2螺柱的断裂原因

姜 勇，巩建鸣，汤鹏杰，余 果

（南京工业大学机械与动力工程学院，南京211816）

0 引 言

精对苯二甲酸（PTA）生产线氧化工段的现场工况最为苛刻［1］，工作介质中含有腐蚀性很强的对苯二甲酸、醋酸、溴离子等，且温度高于135℃，因此，氧化工段的结晶器内衬、搅拌器以及与搅拌器联接的螺柱用材料均选用钛合金［2-4］，这是因为钛合金具有良好的耐腐蚀性能［5-8］。在实际生产中，钛合金零部件也经常发生疲劳断裂，严重影响生产安全，但关于这方面的失效分析报道尚不多见［9］。

某厂PTA生产线氧化工段结晶单元的结晶器搅拌器上用以联接上、下半轴组件的螺柱，在2a时间里发生了数起断裂事故。这些螺柱规格均为M30，材料为TA2钛合金，最长使用时间为4.5a，有的仅几个月。结晶器内部工作压力约为1MPa，搅拌器转速均为53r·min-1。这几起事故中螺柱的断裂情况基本相同，为查明断裂原因，作者对其中一起事故中的断裂螺柱进行了失效分析。

1 理化检验与结果

1.1 断裂螺柱的宏观形貌

由图1（a）可以看出，事故发生后，仍有3个螺柱连在法兰上，且均发生了较大变形，变形方向与搅拌轴的转动方向一致。仔细观察法兰孔可以发现，在10个法兰孔中，左侧的5个变形严重，且有挤压痕迹，而右侧的5个则几乎没有变形，如图1（b）所示。由于事发突然，急于恢复生产，在抢修现场遗失了2个断裂的螺柱。保留下来的8个螺柱的断口上均覆盖有物料，其中4个螺柱断口具有较明显的宏观疲劳开裂特征，疲劳源区均位于螺纹牙底，选取其中最具代表性、断口保存也最完整的2＃螺柱（与2＃法兰孔对应）进行研究，其宏观断口形貌如图1（c）所示；另外4个螺柱的断口主要表现为新鲜的韧性断口，选取与7＃法兰孔对应的7＃螺柱进行分析，其宏观断口形貌如图1（d）所示。根据螺柱断口特征以及法兰孔的变形情况可初步判断，在服役过程中，与2＃～5＃法兰孔对应的螺柱中的一个或几个首先开裂，失去承载能力，致使剩余的螺柱无法承受巨大的工作载荷而变形，最终过载断裂。在变形以及断裂过程中，螺柱不断挤压摩擦法兰孔，使其发生严重变形。

1.2 断口的微观形貌

2＃螺柱断口疲劳源区被腐蚀产物覆盖（根据EDS分析结果可知腐蚀产物主要为氧化物），无法找到明显的疲劳源，如图2（a）所示，但在其疲劳扩展区中观察到了如图2（b）中箭头所示的疲劳条带。

7＃螺柱裂纹启于螺纹根部，扩展区表现为撕裂棱特征并存在二次裂纹，如图2（c）所示，但扩展区的范围很小，断口的绝大部分面积为瞬断区，微观上表现为韧窝特征，如图2（d）所示。

断口的微观形貌表明，2＃螺柱为疲劳断裂，7＃螺柱为快速过载断裂。

1.3 断口上腐蚀产物的化学成分

从图3中可以看出，2＃和7＃螺柱断口上均含有一定数量的氧和溴元素。众所周知，钛优良的耐腐蚀性能是由于其与氧具有很强的亲和力，在表面可形成一层稳定且致密的氧化膜，从而阻止腐蚀性介质向金属内部侵蚀。在实际生产过程中，为了使结晶器内尚未氧化的物料进一步氧化，通常会通入少量空气进行二次氧化。因此结晶器中的钛合金构件处于氧化性的环境中，可以很好地抵抗溴离子腐蚀，故腐蚀产物中的溴元素主要源于附着在断口上的物料。

1.4 螺柱的显微组织和螺纹加工方法

该法兰上螺柱的螺纹要求为滚压螺纹，因此在分析螺柱显微组织的同时也对螺纹的加工方法进行了检查。

由图4可见，2＃和7＃螺柱的组织类似，均为等轴的α相＋类似锯齿状的α片状组织，局部残留有少量细小颗粒状β相。

由图5可见，2＃和7＃螺柱的螺纹牙底部均存在明显的挤压变形。可以确定，该螺纹为滚压螺纹。用滚压的方法加工螺纹会在螺纹牙上形成残余压应力，提高螺柱的承载能力及抗疲劳性能［10］，从而提高其使用安全性。

1.5 力学性能

为减少螺柱断裂发生的变形对其力学性能的影响，拉伸试样和冲击试样均取自螺柱上远离断口的位置。

从表1中可以看出，这5个螺柱的力学性能差别较大，其中3＃螺柱和7＃螺柱的抗拉强度甚至低于GB/T 2965-1996要求的标准值，强度偏低将直接影响它的疲劳性能。

图1 断裂螺柱的宏观形貌Fig.1 Macrographs of fracture threaded studs：（a）fractured threaded studs；（b）deformed flange holes；（c）2＃fatigue fracture stud and（d）7＃ overloaded fracture stud

图2 螺柱断口的SEM形貌Fig.2 SEM morphology of stud fracture：（a）fatigue origin area of 2＃ stud；（b）fatigue propagation area of 2＃ stud；（c）crack propagation area of 7＃ stud and（d）final rupture area of 7＃ stud

图3 2＃和7＃螺柱断口上腐蚀产物的SEM形貌及EDS分析结果Fig.3 SEM morphology and EDS analysis results of corrosion products on fracture surface of 2＃ and 7＃ studs：（a）2＃ stud，SEM morphology；（b）2＃stud，EDS analysis result；（c）7＃stud，SEM morphology and（d）7＃stud，EDS analysis result

图4 2＃和7＃螺柱的显微组织Fig.4 Microstructure of 2＃stud（a）and 7＃stud（b）

图5 2＃和7＃螺纹螺柱牙底的显微组织Fig.5 Microstructure of roots of threads：（a）2＃ stud and（b）7＃ stud

表1 螺柱的力学性能Tab.1 Mechanical properties of studs

2 断裂原因分析

根据以上分析结果可知，首先断裂的螺柱为典型的疲劳断裂。为查明疲劳载荷来源，与使用单位沟通后了解到，该搅拌轴的轴承存在偏磨现象，在转动时搅拌轴的轴线与筒体的轴线之间会出现小幅摆动，从而导致联接法兰的螺柱承受额外的疲劳载荷。

一般来说，材料的强度越低，越容易发生早期疲劳断裂，在疲劳载荷作用下，强度最低的3＃螺柱首先失效，从而导致其它螺柱的受力情况不断恶化，依次发生疲劳断裂，直至剩余的螺柱无法承受工作载荷而最终发生过载断裂。

3 结论与建议

该结晶器内搅拌轴的轴承发生偏磨，导致搅拌轴发生摆动，引起螺柱受到额外的疲劳载荷，是其在很短的时间内就发生疲劳断裂的主要原因；同时这些螺柱的强度相差较大，强度低的螺柱先断裂，剩余螺柱受力情况不断恶化是重要的促进因素，最终导致所有联接螺柱发生断裂。

在强腐蚀性环境中使用的零部件，除了要考虑腐蚀问题以外，工作时设备的受力情况也要加以关注。设备的安装或者维修都要严格遵守操作规范，提高安装精度，减少失效的诱发因素。另外，采购力学性能稳定的零部件，也是设备安全长周期运行的保证。

［1］余存烨.PTA装置用钛现状与演变［J］.钛工业进展，2000（3）：32-34.

［2］余存烨.PTA装置腐蚀与防护分析［J］.化工设备与管道，2000，37（4）：54-58.

［3］马秋林.PTA装置中不锈钢材料的选用及分析［J］.合成纤维工业，2002，25（3）：43-46.

［4］朱玉斌，李中奎，周廉.稀有金属材料的耐蚀性及其在化工领域的应用［J］.稀有金属快报，2004，23（1）：25-29.

［5］余存烨.石化钛设备腐蚀实例［J］.腐蚀与防护，2008，29（4）：15-19.

［6］蒋伟，赵金平，龚敏.钛及钛合金在防腐应用中的研究现状［J］.轻金属，2007，29（9）：59-63.

［7］余存烨.钛制化工设备特殊腐蚀实例及防止对策［J］.化工设备与防腐蚀，2002，5（1）：63-66.

［8］余存烨.耐蚀钛合金的发展［J］.钛工业进展，2003（1）：12-20.

［9］刘仁宇，何宇廷，杜金强，等.基于有限元建模的某飞机连接件螺栓头断裂分析［J］.机械工程材料，2010，34（8）：79-82.

［10］温爱玲，王生武，杨军永，等.采用复合高能喷丸提高工业纯钛的疲劳性能［J］.机械工程材料，2010，34（1）：55-57.