聚丙烯反應器槳葉斷裂原因分析及合理建議

謝永志，梁玉武，段志宏，林楠

（1、廣東省特種設備檢測研究院茂名檢測院）

（ 2、廣東石油化工學院廣東茂名 525000）

概況

2020年中石化某聚丙烯裝置反應器刮刀槳葉發生斷裂，斷裂槳葉如圖1所示，斷裂部位如圖2所示。槳葉原設計材質為德標的55Si8彈簧鋼，相當于我國的55Si2Mn，發生斷裂的槳葉是委托國內加工的，材質不清，厚度為6mm，寬度為50mm。反應器內介質為聚丙烯槳料，操作壓力1.2MPa，溫度80℃。槳葉一端連接在旋轉軸上，另一端聯接刮刀，其作用是通過旋轉軸的旋轉帶動刮刀，刮除粘結在反應器器壁上的聚丙烯槳料，主要承受彎曲、剪切、沖擊和振動等載荷。

圖1 斷裂的槳葉

圖2 槳葉斷裂部位示意圖

1 試驗分析

1.1 宏觀觀察

圖1.1為兩根斷裂槳葉斷口的宏觀形貌。

圖1.1a是斷口1 的宏觀形貌，斷口平齊，剪切唇面積很小，呈脆性斷裂特征；裂紋源均位于槳葉一側，斷口上可觀察到放射紋面積較小的剪切唇。從宏觀上判斷，裂紋起源于槳葉表面缺陷（如坑點、溝槽或夾雜）應力集中部位，斷口總體呈脆性解理斷裂特征。

圖1.1b是斷口2的宏觀形貌，該斷口與斷口1的形貌相似，斷口平齊，剪切唇面積很小，呈脆性斷裂特征；裂紋源位于槳葉兩側，裂紋在槳葉表面缺陷（如坑點、溝槽或夾雜）應力集中部位啟裂后，向槳葉中間擴展，兩條裂紋會合處，在斷口上形成了一個臺階；斷口上可觀察到放射紋和面積較小的剪切唇。從宏觀上判斷，裂紋起源于槳葉表面缺陷（如坑點、溝槽或夾雜）應力集中部位，斷口總體呈脆性解理斷裂特征。

圖1.1 斷口宏觀形貌

1.2 化學成分分析

對來樣槳葉進行化學成分分析，試驗結果見表1.1。分析結果顯示，槳葉的材質中Si含量僅為0.2%左右，不符合德標DIN17222的55Si8(55Si7)或國標GB/T 1222的55Si2Mn，而與德標DIN17222的CK67、我國65Mn彈簧鋼成分基本吻合，因此認為該槳葉材質為CK67或65Mn彈簧鋼。

表1.1 槳葉化學成分分析結果（wt%）

65Mn 0.62～0.70 0.17～0.37 0.90～1.20 ≤0.030 ≤0.030 GB/T 1222 CK67 0.65-0.72 0.15-0.35 0.6-0.9 ≤0.035 ≤0.035 DIN17222 50CrV 0.46～0.54 0.17～0.37 0.50～0.80 ≤0.025 ≤0.020 Cr:0.8-1.10 V:0.10-0.20

1.3 機械性能分析

對來樣進行常溫力學性能測試，試驗結果見表1.2、表1.3。常溫拉伸測試結果顯示，槳葉材料的抗拉強度符合德標DIN17222中CK67軟化退火彈簧鋼的性能要求；但槳葉材料的抗拉強度、屈服強度不符合CK67、65Mn淬火+中溫回火的性能要求，抗拉強度低于65Mn鋼標準239MPa、屈服強度低于65Mn鋼標準145MPa。與設計圖紙要求的材質55Si7或55Si2Mn的標準值相比，抗拉強度和屈服強度大約只有標準的一半，其中抗拉強度低于標準559MPa、屈服強度低于標準560MPa。

表1.2 常溫力學性能

表1.3 常溫沖擊分析詳細數據

斷后伸長率基本符合標準要求，但沖擊功較低，三個試樣平均值只有3.67J（小試樣），最小值為3J，說明該彈簧鋼材料塑性和韌性較差，脆性較大。

對槳葉外表面進行了硬度檢測，檢測結果見表1.4。分析結果表明，槳葉材料硬度低于65Mn及55Si2Mn標準要求。

表1.4 硬度測量值（HBW/布氏）

根據DIN17222的要求，對于要求等級5a的彈簧鋼帶，縱向或橫向對于軋制方向彎曲180o或90o不出現裂紋。因此從來樣槳葉取三件試樣作彎曲試驗，其中圖1.2a、b圖取樣方向與槳葉長度方向平行，c圖取樣方向與槳葉長度方向垂直。取樣方向與槳葉長度方向平行的二件試樣彎至90o時，沒有發生開裂，如圖1.2a所示；當彎至113o時，試樣發生完全斷裂，如圖1.2b所示；取樣方向與槳葉長度方向垂直的試樣彎至40o時，試樣發生完全斷裂。

圖1.2 彎曲試樣

彎曲試驗表明，沒有一個方向能達到180o不出現裂紋，且取樣方向與槳葉長度方向垂直時試樣彎至40o就發生完全斷裂，不符合DIN17222標準的要求。

1.4 金相分析

槳葉材料金相形貌如圖1.3所示，為珠光體+鐵素體組織，由黑色層片狀珠光體和白色條塊狀鐵素體組成，為65Mn鋼的退火組織，而非65Mn鋼淬火+中溫回火的回火托氏體組織。

65Mn彈簧鋼的熱處理工藝包括退火、淬火+中溫回火等。傳統退火工藝的退火溫度730℃，保溫13h，再爐冷到650℃以后，出爐空冷；退火新工藝的退火溫度（860±10）℃，保溫45-60min，爐冷到（750±10）℃，保溫3-3.5h,在爐冷至650-660℃以后，出爐堆冷或入保溫坑緩冷。退火后金相組織為珠光體組織，晶粒度2.5-6級。

淬火+中溫回火工藝：65Mn彈簧鋼必須應具備高的彈性極限和高的屈強比，以避免彈簧鋼在高載荷下產生永久變形，同時還要求有良好的淬透性和低的脫碳敏感性。因此這種彈簧鋼的熱處理方式是淬火+中溫回火，熱處理后組織為回火托氏體，這種組織的彈性極限和屈服極限高，并有一定的韌性。

1.5 斷口電鏡掃描

為了進一步分析斷裂的過程和特征，對試樣1斷口進行了電鏡掃描分析。

(1) 斷口1電鏡掃描

圖1.4為斷口1觀察部位圖，圖1.5為裂紋源區（區域1）掃描電鏡圖，裂紋起源于槳葉表面加工刮痕的應力集中處，裂紋源區有多個臺階，說明有多個起裂源點。

圖1.4 斷口1電鏡掃描區域

圖1.6為放射區（區域2）掃描電鏡圖，放射性紋指向裂紋源區，呈準解理斷裂特征，局部可觀察到疲勞輝紋。

圖1.6 放射紋區（區域2）掃描電鏡圖

圖1.7人字紋區（區域3、4）掃描電鏡圖，呈解理和準解理斷裂特征，局部可觀察到疲勞輝紋。

圖1.7 人字紋區（區域3、4）掃描電鏡圖

圖1.8為剪切區（區域5）掃描電鏡圖，瞬斷區和仍呈解理脆斷特征，放大倍數下可觀察到疲勞輝紋和韌窩。

圖1.8 剪切區（區域5）掃描電鏡圖

2 分析討論

宏觀觀察表明，裂紋起源于槳葉表面缺陷（如坑點、溝槽或夾雜等）應力集中部位，斷口平齊，剪切唇面積很小，斷口總體呈脆性解理斷裂特征。

化學成分分析結果表明，槳葉的材質中Si含量僅為0.2%左右，不符合德標DIN17222的55Si8(55Si7)或國標GB/T 1222的55Si2Mn，而與德標CK67、我國65Mn彈簧鋼成分基本吻合，因此認為該槳葉材質為CK67或65Mn彈簧鋼。

機械性能測試分析結果表明，槳葉材料的抗拉強度符合德標DIN17222中CK67軟化退火彈簧鋼的性能要求；但槳葉材料的抗拉強度、屈服強度不符合CK67、65Mn淬火+中溫回火的性能要求，更不符合設計圖要求的材質55Si7或55Si2Mn的要求，強度明顯偏低。

斷后伸長率基本符合標準要求，但沖擊功較低，三個試樣平均值只有3.67J（小試樣），最小值為3J，說明該彈簧鋼材料塑性和韌性較差，脆性較大。

彎曲試驗表明，沒有一個方向能達到180o不出現裂紋，且取樣方向與槳葉長度方向垂直時試樣彎至40o就發生完全斷裂，不符合DIN17222標準的要求。

硬度檢測結果表明，槳葉材料硬度低于65Mn及55Si2Mn標準要求。

金相組織觀察結果表明，槳葉材料為珠光體+鐵素體組織，為65Mn鋼的退火組織，而非65Mn鋼淬火+中溫回火的回火托氏體組織。金相組織與機械性能是相符合的。

斷口微觀觀察結果表明，裂紋起源于槳葉表面加工刮痕或刀痕的應力集中處，斷口呈解理或準解理斷裂特征，局部可觀察到疲勞輝紋，斷口中主要為金屬的碳化物和氧化物，沒有發現明顯的腐蝕性物質。

綜合以上分析認為，槳葉斷裂的主導失效機制為沖擊脆性斷裂+疲勞斷裂。造成失效的主要原因分析如下：

(1) 選材和熱處理工藝不當，材料強度偏低，導致槳葉抗沖擊和抗疲勞能力不足。

設計圖要求的材質為55Si8（DIN17222標準中為55Si7，與我國標準相當的彈簧鋼為55Si2Mn），而實際材料為65Mn，加上采用軟化退火熱處理工藝，導致槳葉材料強度偏低，沖擊和抗疲勞能力不足。

為提高彈簧抗疲勞破壞和抗松弛的能力，彈簧材料應具有一定的屈服強度σs與彈性極限σe，尤其要有高的屈強比（σs/σb）?？估瓘姸扰c疲勞強度有一定的關系，當材料的σb在1600MPa以下時，其疲勞強度隨抗拉強度的增高而增高。大致上材料的疲勞強度與抗拉強度遵循的關系是：疲勞強度σ-1≈（0.35-0.55）σb。因此，材料強度偏低，會同時降低抗沖擊和抗疲勞能力。

(2) 熱處理工藝不當，槳葉硬度偏低，槳葉表面易損傷成為裂紋源，增加了槳葉開裂的可能性。

由于采用軟化退火熱處理工藝，槳葉材料的硬度偏低，多數在215左右，導致槳葉表易被物料或異物劃傷而成為裂紋源，增加了槳葉失效的可能性。

(3) 槳葉表面處理工藝不當，表面光潔度達不到要求，表面加工痕跡易成為裂紋源，增加了槳葉開裂的可能性。

分析表明，槳葉裂紋啟裂于表面的損傷，這些損傷可能是加工留下的溝痕，說明該彈簧鋼表面處理可能達不到圖紙要求。圖紙要求反應器內件應做電解刨光處理，表面光潔度達到Ra≤1.6um(63RMS)，并且要求在顯微鏡下放大200倍進行觀察，以便去除電解刨光留下的痕跡。

(4) 槳葉材料沖擊功很低，韌性差，降低了槳葉的疲勞壽命。

彈簧鋼在承受沖擊載荷或變載荷時，材料應具有良好的韌性，這樣能明顯提高彈簧的使用壽命。本次分析的槳葉材料沖擊功很低，只有3-4J（小試樣），韌性較差，降低了槳葉的疲勞壽命。

3 結論

槳葉斷裂的主導失效機制為沖擊脆性斷裂+疲勞斷裂。導致槳葉過早失效的主要原因，一是選材和熱處理工藝不當，材料強度偏低，導致槳葉抗沖擊和抗疲勞能力不足。二是熱處理工藝不當，硬度偏低，槳葉表面易受損傷成為裂紋源，增加了開裂的可能性。三是槳葉表面處理工藝不當，表面光潔度達不到要求，槳葉表面的加工溝痕易成為裂紋源，增加了開裂的可能性。四是槳葉材料沖擊功很低，韌性差，降低了槳葉的疲勞壽命。

4 建議

(1) 選擇與圖紙相當的彈簧鋼材料制作槳葉。由于德標DIN17222的55Si7原對應我國GB/T 1222-1984的55Si2Mn，現在最新標準為GB/T 1222-2016《彈簧鋼》中的60Si2Mn。因此，建議嚴格按照國標GB/T 1222-2016《彈簧鋼》，選擇60Si2Mn作為槳葉的材質。

60Si2Mn鋼的Si含量明顯增加，加硅對彈簧鋼的主要目的是提高鋼的彈性、強度和回火穩定性。研究表明，在碳含量基本固定（0.5～0.7%）的情況下，在彈簧鋼常用的合金元素中，以Si的固溶強化作用最強，因此含硅量高的鋼的彈減抗力很高，通常硅含量多在1%以上。硅本身不僅有固溶強化作用，還能改變回火時析出碳化物的數量、尺寸和形態，提高鋼的回火穩定性，對提高強度、硬度的效果顯著。

(2) 彈簧鋼材料的交貨熱處理狀態應選擇淬火+中溫回火工藝，保證彈簧鋼具有足夠的強度。

(3) 槳葉表面光潔度應達到圖紙要求。圖紙要求反應器內件應做電解刨光處理，表面光潔度達到Ra≤1.6um(63RMS)，并且要求在顯微鏡下放大200倍進行觀察，以便去除電解刨光留下的痕跡。