１０万m³浮顶油罐转动浮梯走轮轴断裂失效分析

    随着我国经济的快速发展和人民生活水平的提高，能源消耗急剧增长，石油和成品油的需求剧增。大型立式钢制储罐是石油化工行业非常重要的储运设备，越来越多地用于原油、成品油等储运工程。在各类油库的建造中，广泛应用的是大型立式钢制圆筒形拱顶储罐和浮顶储罐。浮顶储罐是由浮在罐内液体介质表面的浮顶和立式圆筒形罐壁、罐底及附件所构成，浮顶直接浮在液面上，随着罐内储液量的增加或减少而上下浮动。

    浮顶油罐罐顶平台与浮顶之间架设有一转动浮梯，其主要作用是便于人员经过这一通道到达浮顶，对浮顶及其附件进行日常检查和维护保养。转动浮梯一旦发生损坏，浮顶无法正常工作。可见，转动浮梯是浮顶油罐的重要部件。

    某炼油厂１０万m³原油浮顶罐的转动浮梯走轮轴为轴套结构，在浮顶上用于支撑和转动。在原油罐收油和付油时，转动浮梯跟着起伏。２０１３年４月发生浮梯走轮轴断裂失效的现象，严重影响了储罐的安全运行。浮梯走轮轴断裂位置位于轴的中间部位，正常服役时间为３２０００ｈ。

    本工作对１０万m³浮顶油罐转动浮梯走轮轴在运行过程出现断裂失效现象进行原因分析，并提出相关的预防建议，消除再次发生断裂的隐患，希望对大型储罐的安全运行有参考意义。

一 试验

１．１宏观观察

    图１（ａ）是浮梯走轮轴的形状及断轴部位，轴表面粗糙，无光泽。图１（ｂ）为浮梯走轮轴的断口形貌。断口表面磨损严重，存在明显的被二次损坏区域。根据断口的宏观特征，整体较粗糙，未见明显的塑性变形。图１（ｂ）的Ａ位置所处的区域有磨光标记的区域，为疲劳区域，比较光滑的疲劳区产生的原因是由于在疲劳裂纹发生和发展的区域，在循环载荷的作用下，多次发生撞击和研磨现象，使疲劳区形成光滑的外观。

    除了磨损区域外，微观上可观察到中心断裂区域Ｄ的纤维状形貌Ｂ；其次，宏观上可看到放射状条纹所占面积约为整体面积的１／２，微观上放射状条纹区域为准解理结构，属脆性断裂；同时，在Ｃ区域所示位置，能够观察到半环状的剪切唇区。剪切唇表面光滑，与轴的夹角约为４５°。按照断裂力学观点它是裂纹在平面应力条件下快速断裂的断口形貌。

１．２微观分析

    对断口进行微观观察，在Ａ疲劳源区域有大量的二次裂纹和宽大平台及少量浅韧窝。在Ｂ放射区域微观上观察主要为脆性的准解理断裂形貌。Ｄ区域断面微观形貌可以观察到，在近裂纹源附近的断口形貌主要为解理断裂。

１．３金相检验

    取断轴中心部位的横截面进行金相组织分析，结果如图３所示。从试样的金相组织主要为珠光体和网状铁素体。组织中晶粒不均匀，珠光体晶粒粗大。另外此种组织说明材料未经过调质处理，正常的调质处理的组织应为回火索氏体，而且该组织也非优良的正火组织，因为优良的正火组织应为块状铁素体和细小珠光体片。

１．４材质分析

    对样品进行材质分析，结果如表１所示。将测试结果与ＧＢ／Ｔ６９９－１９９９标准比较发现扶梯轴材质成分中硅含量０．４７，锰含量１．４１，结果表明材质不符合优质的低碳钢标准。

１．５力学测试

    硬度测试结果如表２所示。依据ＧＢ／Ｔ６９９－１９９９标准，其硬度应小于等于１９７（ＨＢ），从检测值上符合标准。冲击功测试结果显示，其冲击功检测值为４１Ｊ，按照ＧＢ／Ｔ６９９－１９９９标准，其冲击功数值应不小于３９，因此符合标准，但抗冲击性能相对不高。

二 结果与讨论

    由于浮顶罐的浮梯走轮轴为轴套结构，在罐顶上用于支撑和转动。原油罐收油和付油时，浮盘顶部的转动浮梯跟着起伏，浮梯走轮轴受到交变应力的影响，同时使走轮轴表面受到磨损破坏，在表面缺陷处容易产生疲劳裂纹。

   结合对浮梯走轮轴材质的分析结果，属于低碳钢的材质，但是材质中锰含量，硅含量偏高，从而降低了走轮轴的强度和冲击韧性，特别是横向塑性和冲击韧性降低更为明显。

三 结论及建议　

根据以上原因分析，得到以下结论并提出建议。

结论：

（１）走轮轴的材质ＨＴ２００硅含量，锰含量过高，导致走轮轴材质力学性能下降。

（２）低碳钢材质的走轮轴在轴套结构运行中轴表面容易受到磨损而产生表面缺陷。

（３）在循环交变的应力影响下，走轮轴表面缺陷部位容易产生疲劳裂纹，最终发生断裂。

建议：

（１）浮梯走轮轴的材质应升级，可选用合金钢如２Ｃｒ１３；

（２）走轮轴轴套（铜套）结构，横向开设注油槽，保持良好润滑；

（３）油罐浮顶可选用高清摄像头加强监控，及时发现故障并消除。