聚丙烯反应器桨叶断裂原因分析及合理建议

谢永志，梁玉武，段志宏，林楠

（1、广东省特种设备检测研究院茂名检测院）

（ 2、广东石油化工学院广东茂名 525000）

2020年中石化某聚丙烯装置反应器刮刀桨叶发生断裂，断裂桨叶如图1所示，断裂部位如图2所示。桨叶原设计材质为德标的55Si8弹簧钢，相当于我国的55Si2Mn，发生断裂的桨叶是委托国内加工的，材质不清，厚度为6mm，宽度为50mm。反应器内介质为聚丙烯桨料，操作压力1.2MPa，温度80℃。桨叶一端连接在旋转轴上，另一端联接刮刀，其作用是通过旋转轴的旋转带动刮刀，刮除粘结在反应器器壁上的聚丙烯桨料，主要承受弯曲、剪切、冲击和振动等载荷。

图1 断裂的桨叶

图2 桨叶断裂部位示意图

1.1 宏观观察

图1.1为两根断裂桨叶断口的宏观形貌。

图1.1a是断口1 的宏观形貌，断口平齐，剪切唇面积很小，呈脆性断裂特征；
裂纹源均位于桨叶一侧，断口上可观察到放射纹面积较小的剪切唇。从宏观上判断，裂纹起源于桨叶表面缺陷（如坑点、沟槽或夹杂）应力集中部位，断口总体呈脆性解理断裂特征。

图1.1b是断口2的宏观形貌，该断口与断口1的形貌相似，断口平齐，剪切唇面积很小，呈脆性断裂特征；
裂纹源位于桨叶两侧，裂纹在桨叶表面缺陷（如坑点、沟槽或夹杂）应力集中部位启裂后，向桨叶中间扩展，两条裂纹会合处，在断口上形成了一个台阶；
断口上可观察到放射纹和面积较小的剪切唇。从宏观上判断，裂纹起源于桨叶表面缺陷（如坑点、沟槽或夹杂）应力集中部位，断口总体呈脆性解理断裂特征。

图1.1 断口宏观形貌

1.2 化学成分分析

对来样桨叶进行化学成分分析，试验结果见表1.1。分析结果显示，桨叶的材质中Si含量仅为0.2%左右，不符合德标DIN17222的55Si8(55Si7)或国标GB/T 1222的55Si2Mn，而与德标DIN17222的CK67、我国65Mn弹簧钢成分基本吻合，因此认为该桨叶材质为CK67或65Mn弹簧钢。

表1.1 桨叶化学成分分析结果（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 机械性能分析

对来样进行常温力学性能测试，试验结果见表1.2、表1.3。常温拉伸测试结果显示，桨叶材料的抗拉强度符合德标DIN17222中CK67软化退火弹簧钢的性能要求；
但桨叶材料的抗拉强度、屈服强度不符合CK67、65Mn淬火+中温回火的性能要求，抗拉强度低于65Mn钢标准239MPa、屈服强度低于65Mn钢标准145MPa。与设计图纸要求的材质55Si7或55Si2Mn的标准值相比，抗拉强度和屈服强度大约只有标准的一半，其中抗拉强度低于标准559MPa、屈服强度低于标准560MPa。

表1.2 常温力学性能

表1.3 常温冲击分析详细数据

断后伸长率基本符合标准要求，但冲击功较低，三个试样平均值只有3.67J（小试样），最小值为3J，说明该弹簧钢材料塑性和韧性较差，脆性较大。

对桨叶外表面进行了硬度检测，检测结果见表1.4。分析结果表明，桨叶材料硬度低于65Mn及55Si2Mn标准要求。

表1.4 硬度测量值（HBW/布氏）

根据DIN17222的要求，对于要求等级5a的弹簧钢带，纵向或横向对于轧制方向弯曲180o或90o不出现裂纹。因此从来样桨叶取三件试样作弯曲试验，其中图1.2a、b图取样方向与桨叶长度方向平行，c图取样方向与桨叶长度方向垂直。取样方向与桨叶长度方向平行的二件试样弯至90o时，没有发生开裂，如图1.2a所示；
当弯至113o时，试样发生完全断裂，如图1.2b所示；
取样方向与桨叶长度方向垂直的试样弯至40o时，试样发生完全断裂。

图1.2 弯曲试样

弯曲试验表明，没有一个方向能达到180o不出现裂纹，且取样方向与桨叶长度方向垂直时试样弯至40o就发生完全断裂，不符合DIN17222标准的要求。

1.4 金相分析

桨叶材料金相形貌如图1.3所示，为珠光体+铁素体组织，由黑色层片状珠光体和白色条块状铁素体组成，为65Mn钢的退火组织，而非65Mn钢淬火+中温回火的回火托氏体组织。

65Mn弹簧钢的热处理工艺包括退火、淬火+中温回火等。传统退火工艺的退火温度730℃，保温13h，再炉冷到650℃以后，出炉空冷；
退火新工艺的退火温度（860±10）℃，保温45-60min，炉冷到（750±10）℃，保温3-3.5h,在炉冷至650-660℃以后，出炉堆冷或入保温坑缓冷。退火后金相组织为珠光体组织，晶粒度2.5-6级。

淬火+中温回火工艺：65Mn弹簧钢必须应具备高的弹性极限和高的屈强比，以避免弹簧钢在高载荷下产生永久变形，同时还要求有良好的淬透性和低的脱碳敏感性。因此这种弹簧钢的热处理方式是淬火+中温回火，热处理后组织为回火托氏体，这种组织的弹性极限和屈服极限高，并有一定的韧性。

1.5 断口电镜扫描

为了进一步分析断裂的过程和特征，对试样1断口进行了电镜扫描分析。

(1) 断口1电镜扫描

图1.4为断口1观察部位图，图1.5为裂纹源区（区域1）扫描电镜图，裂纹起源于桨叶表面加工刮痕的应力集中处，裂纹源区有多个台阶，说明有多个起裂源点。

图1.4 断口1电镜扫描区域

图1.6为放射区（区域2）扫描电镜图，放射性纹指向裂纹源区，呈准解理断裂特征，局部可观察到疲劳辉纹。

图1.6 放射纹区（区域2）扫描电镜图

图1.7人字纹区（区域3、4）扫描电镜图，呈解理和准解理断裂特征，局部可观察到疲劳辉纹。

图1.7 人字纹区（区域3、4）扫描电镜图

图1.8为剪切区（区域5）扫描电镜图，瞬断区和仍呈解理脆断特征，放大倍数下可观察到疲劳辉纹和韧窝。

图1.8 剪切区（区域5）扫描电镜图

宏观观察表明，裂纹起源于桨叶表面缺陷（如坑点、沟槽或夹杂等）应力集中部位，断口平齐，剪切唇面积很小，断口总体呈脆性解理断裂特征。

化学成分分析结果表明，桨叶的材质中Si含量仅为0.2%左右，不符合德标DIN17222的55Si8(55Si7)或国标GB/T 1222的55Si2Mn，而与德标CK67、我国65Mn弹簧钢成分基本吻合，因此认为该桨叶材质为CK67或65Mn弹簧钢。

机械性能测试分析结果表明，桨叶材料的抗拉强度符合德标DIN17222中CK67软化退火弹簧钢的性能要求；
但桨叶材料的抗拉强度、屈服强度不符合CK67、65Mn淬火+中温回火的性能要求，更不符合设计图要求的材质55Si7或55Si2Mn的要求，强度明显偏低。

断后伸长率基本符合标准要求，但冲击功较低，三个试样平均值只有3.67J（小试样），最小值为3J，说明该弹簧钢材料塑性和韧性较差，脆性较大。

弯曲试验表明，没有一个方向能达到180o不出现裂纹，且取样方向与桨叶长度方向垂直时试样弯至40o就发生完全断裂，不符合DIN17222标准的要求。

硬度检测结果表明，桨叶材料硬度低于65Mn及55Si2Mn标准要求。

金相组织观察结果表明，桨叶材料为珠光体+铁素体组织，为65Mn钢的退火组织，而非65Mn钢淬火+中温回火的回火托氏体组织。金相组织与机械性能是相符合的。

断口微观观察结果表明，裂纹起源于桨叶表面加工刮痕或刀痕的应力集中处，断口呈解理或准解理断裂特征，局部可观察到疲劳辉纹，断口中主要为金属的碳化物和氧化物，没有发现明显的腐蚀性物质。

综合以上分析认为，桨叶断裂的主导失效机制为冲击脆性断裂+疲劳断裂。造成失效的主要原因分析如下：

(1) 选材和热处理工艺不当，材料强度偏低，导致桨叶抗冲击和抗疲劳能力不足。

设计图要求的材质为55Si8（DIN17222标准中为55Si7，与我国标准相当的弹簧钢为55Si2Mn），而实际材料为65Mn，加上采用软化退火热处理工艺，导致桨叶材料强度偏低，冲击和抗疲劳能力不足。

为提高弹簧抗疲劳破坏和抗松弛的能力，弹簧材料应具有一定的屈服强度σs与弹性极限σe，尤其要有高的屈强比（σs/σb）。抗拉强度与疲劳强度有一定的关系，当材料的σb在1600MPa以下时，其疲劳强度随抗拉强度的增高而增高。大致上材料的疲劳强度与抗拉强度遵循的关系是：疲劳强度σ-1≈（0.35-0.55）σb。因此，材料强度偏低，会同时降低抗冲击和抗疲劳能力。

(2) 热处理工艺不当，桨叶硬度偏低，桨叶表面易损伤成为裂纹源，增加了桨叶开裂的可能性。

由于采用软化退火热处理工艺，桨叶材料的硬度偏低，多数在215左右，导致桨叶表易被物料或异物划伤而成为裂纹源，增加了桨叶失效的可能性。

(3) 桨叶表面处理工艺不当，表面光洁度达不到要求，表面加工痕迹易成为裂纹源，增加了桨叶开裂的可能性。

分析表明，桨叶裂纹启裂于表面的损伤，这些损伤可能是加工留下的沟痕，说明该弹簧钢表面处理可能达不到图纸要求。图纸要求反应器内件应做电解刨光处理，表面光洁度达到Ra≤1.6um(63RMS)，并且要求在显微镜下放大200倍进行观察，以便去除电解刨光留下的痕迹。

(4) 桨叶材料冲击功很低，韧性差，降低了桨叶的疲劳寿命。

弹簧钢在承受冲击载荷或变载荷时，材料应具有良好的韧性，这样能明显提高弹簧的使用寿命。本次分析的桨叶材料冲击功很低，只有3-4J（小试样），韧性较差，降低了桨叶的疲劳寿命。

桨叶断裂的主导失效机制为冲击脆性断裂+疲劳断裂。导致桨叶过早失效的主要原因，一是选材和热处理工艺不当，材料强度偏低，导致桨叶抗冲击和抗疲劳能力不足。二是热处理工艺不当，硬度偏低，桨叶表面易受损伤成为裂纹源，增加了开裂的可能性。三是桨叶表面处理工艺不当，表面光洁度达不到要求，桨叶表面的加工沟痕易成为裂纹源，增加了开裂的可能性。四是桨叶材料冲击功很低，韧性差，降低了桨叶的疲劳寿命。

(1) 选择与图纸相当的弹簧钢材料制作桨叶。由于德标DIN17222的55Si7原对应我国GB/T 1222-1984的55Si2Mn，现在最新标准为GB/T 1222-2016《弹簧钢》中的60Si2Mn。因此，建议严格按照国标GB/T 1222-2016《弹簧钢》，选择60Si2Mn作为桨叶的材质。

60Si2Mn钢的Si含量明显增加，加硅对弹簧钢的主要目的是提高钢的弹性、强度和回火稳定性。研究表明，在碳含量基本固定（0.5～0.7%）的情况下，在弹簧钢常用的合金元素中，以Si的固溶强化作用最强，因此含硅量高的钢的弹减抗力很高，通常硅含量多在1%以上。硅本身不仅有固溶强化作用，还能改变回火时析出碳化物的数量、尺寸和形态，提高钢的回火稳定性，对提高强度、硬度的效果显著。

(2) 弹簧钢材料的交货热处理状态应选择淬火+中温回火工艺，保证弹簧钢具有足够的强度。

(3) 桨叶表面光洁度应达到图纸要求。图纸要求反应器内件应做电解刨光处理，表面光洁度达到Ra≤1.6um(63RMS)，并且要求在显微镜下放大200倍进行观察，以便去除电解刨光留下的痕迹。

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