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液體介質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?，轉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過調質處理，正常的調質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材質分析

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

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生疲勞裂紋。

   結合對浮梯走輪軸材質的分析結果，屬于低碳鋼的材質，但是材質中錳含量，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ＨＴ２００硅含量，錳含量過高，導致走輪軸材質力學性能下降。

（２）低碳鋼材質的走輪軸在軸套結構運行中軸表面容易受到磨損而產生表面缺陷。

（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生疲勞裂紋，最終發(fā)生斷裂。

建議：

（１）浮梯走輪軸的材質應升級，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。