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（中國(guó)京冶工程技術(shù)有限公司國(guó)際分公司 北京 100080）

（中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100020）

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū) 克拉瑪依 834000）

摘 要：主風(fēng)機(jī)聯(lián)軸器中的膜片在使用過(guò)程中出現(xiàn)斷裂，會(huì)影響到設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。本研究報(bào)告主要工作內(nèi)容主要通過(guò)對(duì)催化煙機(jī)聯(lián)軸器膜片的已開(kāi)裂部位（委托方送樣）作宏觀形貌分析、微觀形貌觀察、 化學(xué)成分判定、金相組織、硬度等材料性能分析，對(duì)未來(lái)該裝置的安全運(yùn)行提出合理的解決方案與建議：塑形失穩(wěn)可能為聯(lián)軸器膜片斷裂的主要原因；聯(lián)軸器膜片很可能以冷加工態(tài)直接供貨，具備了較高的強(qiáng)度但損失了一定的塑形和韌性聯(lián)軸器膜片本身屬于易耗件，需要根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行定期更換，請(qǐng)廠家查閱設(shè)計(jì)資料，確定在使用過(guò)程中按周期及時(shí)更換。

關(guān)鍵詞：聯(lián)軸器膜片；斷裂；失效分析

1 引 言

聯(lián)軸器膜片廣泛用于各種機(jī)械裝置的軸系傳動(dòng)，如水泵（尤其是大功率、化工泵）、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、液壓機(jī)械、石油機(jī)械、印刷機(jī)械、紡織機(jī)械、化工機(jī)械、礦山機(jī)械、冶金機(jī)械、航空（直升飛機(jī)）、艦艇高速動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、汽輪機(jī)、活塞式動(dòng)力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、履帶式車輛，以及發(fā)電機(jī)組高速、大功率機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，經(jīng)動(dòng)平衡后應(yīng)用于高速傳動(dòng)軸系已比較普遍。聯(lián)軸器膜片至少由一個(gè)膜片和兩個(gè)軸套組成。膜片被用銷釘緊固在軸套上一般不會(huì)松動(dòng)或引起膜片和軸套之間的反沖，具有耐酸、耐堿防腐蝕的特點(diǎn)，適用于高溫、高速、有腐蝕介質(zhì)工況環(huán)境的軸系傳動(dòng)，聯(lián)軸器的失效會(huì)對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)很大的影響。

2017年某煉化分公司催化煙機(jī)-主風(fēng)機(jī)聯(lián)軸器中的一片膜片在使用過(guò)程中出現(xiàn)斷裂，并影響到設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。該膜片工作狀態(tài)根據(jù)委托方給出條件如下：正常工況：26821HP（20000KW）4529RPM

、正常轉(zhuǎn)矩：373238IN-LB(42168N-m)、最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩：813000IN-LB(91852N-m)、最大瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩：1290000IN-LB(145744-N-m）、聯(lián)軸器型號(hào)與生產(chǎn)廠家保密，其他信息未能曾給出。我單位收到該公司寄送從該聯(lián)軸器拆下的膜片3塊，其中包括斷裂試樣一塊，完整試樣2塊，以期得到該聯(lián)軸器膜片的斷裂成因，并通過(guò)該失效分析對(duì)未來(lái)該裝置的安全運(yùn)行的提出合理的解決方案建議。

2 試驗(yàn)依據(jù)

主要工作內(nèi)容主要通過(guò)試驗(yàn)方法對(duì)催化煙機(jī)聯(lián)軸器膜片的已開(kāi)裂部位（委托方送樣）材料性能進(jìn)行分析^[1]，并結(jié)合委托方給出的信息綜合判斷失效原因。報(bào)告中進(jìn)行的試驗(yàn)主要依據(jù)如下：

（1）GB/T 4340.1 金屬材料維氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法

（2）GB/T 13298 金屬顯微組織檢驗(yàn)方法

（3）ASTM A20/A20M Specification for General Requirements for Steel Plates for Pressure Vessels

（4）其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.1 宏觀形貌分析

圖3-1 送測(cè)完整樣品的宏觀形貌

圖3-2 送測(cè)斷裂樣品的宏觀形貌

圖3-1和圖3-2分別為委托方送測(cè)的完好樣品和斷裂樣品的宏觀形貌。由圖可見(jiàn)，完整的聯(lián)軸器膜片為8孔聯(lián)軸器膜片，實(shí)測(cè)厚度為0.4mm。由于委托方給出信息較少，根據(jù)所查得資料，膜片連接方式應(yīng)為多片層疊并通過(guò)穿過(guò)栓孔的螺栓鏈接。廠家委托失效件為其一張近半片完整尺寸的聯(lián)軸器膜片殘片。失效位置宏觀觀察共有3處，兩端位置和中心位置個(gè)1處。其中兩端的失效位置一側(cè)徑直從栓孔中心位置斷裂，另一側(cè)為通過(guò)兩栓孔的中心位置。中心斷裂部位由內(nèi)徑邊緣至栓孔邊緣的豁口。同時(shí)，試樣樣品內(nèi)外表面均呈現(xiàn)一定的灰黑色，可能存在一定的腐蝕產(chǎn)物^[2]。

將失效的半片聯(lián)軸器膜片兩端斷裂處分別命名為A和B，將中心斷裂處命名為C（由圖3-2所示），并對(duì)A、B、C三處的截取試樣進(jìn)行宏觀觀察^[3]。

圖3-3 送測(cè)斷裂樣品斷裂部位的宏觀形貌（A）

圖3-4 送測(cè)斷裂樣品斷裂部位的宏觀形貌（B）

圖3-5 送測(cè)斷裂樣品斷裂部位的宏觀形貌（C）

由圖3-3至3-5的斷裂部位宏觀觀察可知，三部位均未出現(xiàn)明顯的塑形變形，且材料手測(cè)具有較好的彈性。另外，栓孔部位磨損較為嚴(yán)重^[4]，由于委托方未能給出設(shè)備的具體運(yùn)行時(shí)間，根據(jù)磨損情況推測(cè)設(shè)備可能經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行。

3.2 微觀形貌觀察

根據(jù)試樣的斷裂文職，對(duì)圖3-3至3-5的A、B、C三處斷裂位置的斷口分別進(jìn)行微觀形貌觀測(cè)^[5]，并對(duì)斷口的截面積尺寸進(jìn)行測(cè)量。其中，挑選典型斷裂形貌進(jìn)行放大觀測(cè)，并標(biāo)出放大位置。其結(jié)果如圖3-6至3-8所示。

(a) 微觀形貌150×

(b) 微觀形貌1000×

圖3-6送測(cè)斷裂樣品斷裂部位的宏觀形貌（A）

(a) 微觀形貌150×

(b) 微觀形貌1000×

圖3-7送測(cè)斷裂樣品斷裂部位的宏觀形貌（B）

(a) 微觀形貌150×

(b) 微觀形貌1000×

圖3-8送測(cè)斷裂樣品斷裂部位的宏觀形貌（C）

由圖3-6至3-8可知，三斷口放大后的微觀形貌均呈現(xiàn)典型的韌窩組織，為典型的韌性斷口。從微觀的截面寬度測(cè)量可知膜片的截面存在不同程度的塑形變形行為^[6]，斷面截面均在寬度呈現(xiàn)一定程度的斷面收縮，并且在側(cè)面同時(shí)可以明顯觀察到垂直方向的變形。但三者的變形程度有所不同，其中A斷口斷面收縮較小，厚度基本與原始厚度一致。C斷口斷面收縮最為明顯，B斷口居中。同時(shí)，三斷口上下邊緣出現(xiàn)少量斷口磨平痕跡，說(shuō)明在斷裂過(guò)程總失效位置可能曾受到往復(fù)擠壓，說(shuō)明斷口的斷裂行為可能為非一次斷裂引起^[7]。

3.3 化學(xué)成分判定

由于委托方未能提供樣品材料牌號(hào)，也無(wú)法提供標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分，同時(shí)送測(cè)樣品較薄，無(wú)法進(jìn)行有效打磨后進(jìn)行光譜分析，因此本報(bào)告對(duì)試樣采用EDS能譜試樣進(jìn)行化學(xué)元素成分的半定量分析^[8]。同時(shí)，為了驗(yàn)證膜片材料的一致性，對(duì)完整試樣也取片進(jìn)行分析。具體結(jié)果見(jiàn)表3-1所示。

表3-1 能譜化學(xué)成分分析結(jié)果

由于委托方無(wú)法給出原始供貨材質(zhì)書(shū)和材料牌號(hào)，且EDS能譜結(jié)果為半定量結(jié)果，因此無(wú)法與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，因此元素成分結(jié)果僅具有一定的參考意義。由于測(cè)試采用EDS能譜，因此C元素結(jié)果不具有可參考性。

由元素成分可以看出，斷裂試樣和完整試樣均較為符合17Cr-7Ni系列（SUS301）不銹鋼元素成分特征^[9]，但斷裂試樣和完整試樣的成分并不完全一致。完整試樣的Cr含量偏低，且Mn含量偏高，可能因此產(chǎn)生力學(xué)性能差異。此外，此材料經(jīng)測(cè)量具有較強(qiáng)的鐵磁性，推測(cè)可能由于冷加工或熱處理產(chǎn)生大量的馬氏體組織。

3.4 金相組織

試樣分別取自斷裂試樣和完整試樣。樣品均為全厚度試樣，金屬組織觀察位置為壁厚方向^[10]。試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參考為GB/T 13298《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，侵蝕方法采用1gCuSO₄+5mlHCl+5mlH₂O侵蝕劑常溫侵蝕。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)下表3-2所示。

表3-2 顯微組織檢測(cè)結(jié)果

由表3-2的金相組織，結(jié)合化學(xué)成分分析結(jié)果，判斷斷裂樣品和完整樣品均主要為馬氏體+奧氏體組織。二者的金相組織均能觀察到較為少量的形變帶，以及大量的形變?chǔ)痢R氏體和奧氏體組織，這說(shuō)明在加工過(guò)程中聯(lián)軸器膜片很可能通過(guò)冷變形成型^[11]，并且未經(jīng)后續(xù)固溶熱處理，而以冷軋態(tài)交貨。

3.5 硬度

由于該樣品較薄，無(wú)法采用常規(guī)硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，因此對(duì)斷裂試樣和完整試樣進(jìn)行顯微維氏硬度測(cè)試。測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 4340.1《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)第一部分試驗(yàn)方法》，實(shí)驗(yàn)儀器采用美國(guó)WILSON TUKON 2500維氏硬度儀。硬度數(shù)據(jù)見(jiàn)表3-3、表3-4。

表3-3 斷裂試樣硬度值

表3-4完整試樣硬度值

由表3-3和3-4可知，斷裂試樣的硬度平均值414.1 HV10，完整試樣硬度平均值388.6 HV10，二者均為典型的馬氏體硬度值，并存在一定的差別，斷裂試樣的HV10平均硬度相較完整試樣高約6.52%，說(shuō)明斷裂試樣具有更高的強(qiáng)度，同時(shí)，可能具有較低的塑性和韌性。

4 分析

一般情況下，17Cr-7Ni（SUS301）不銹鋼在常溫下為亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼。相較于其他的耐蝕奧氏體不銹鋼，該款不銹鋼具有相對(duì)較高的C含量，可在在冷加工后獲得較高的強(qiáng)度和硬度，但同時(shí)會(huì)喪失一定的塑性和韌性^[12]。根據(jù)前面分析，該聯(lián)軸器膜片很可能以冷加工態(tài)直接供貨，使得材料具有高強(qiáng)度，但塑性和韌性存在不足。委托方未規(guī)定材料性能的驗(yàn)收方案，因此無(wú)法判斷材質(zhì)的供貨狀態(tài)是否合格。

宏觀形貌觀察可見(jiàn)膜片栓孔與螺栓接觸部位具有較大程度的磨損，微觀形貌觀察可見(jiàn)斷口均為塑性斷裂，并具有撕裂的特征，因此判斷該膜片失效模式為塑性失穩(wěn)斷裂[13]。根據(jù)硬度試驗(yàn)結(jié)果可知，完整試樣和斷裂試樣的力學(xué)性能具有一定差異，說(shuō)明在聯(lián)軸器運(yùn)行過(guò)程中，在同等轉(zhuǎn)矩下，由于聯(lián)軸器膜片為多片層疊狀態(tài)，具有較高強(qiáng)度的斷裂試樣承受了更多的外力。同時(shí)，由于運(yùn)行過(guò)程中材料的不斷磨損發(fā)生局部變形多大，低韌性區(qū)域可能造成局部失穩(wěn)導(dǎo)致變形斷裂。

此外，根據(jù)資料顯示，聯(lián)軸器膜片本身屬于易耗件，需要根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行定期更換。因?yàn)槟て瑸槌善凡少?gòu)，廠家未給出管理方案，因此不能判斷設(shè)計(jì)壽命與使用狀態(tài)，但根據(jù)宏觀觀察與磨損情況判斷可能使用時(shí)間較長(zhǎng)，因此需要廠家制訂維保方案，以確定更換周期。

5 結(jié)論與建議

（1）斷裂試樣的完整試樣和力學(xué)性能具有一定差異，塑形失穩(wěn)可能為聯(lián)軸器膜片斷裂的主要原因。

（2）聯(lián)軸器膜片很可能以冷加工態(tài)直接供貨，具備了較高的強(qiáng)度但損失了一定的塑形和韌性，建議給出性能要求和驗(yàn)收指標(biāo)。

（3）聯(lián)軸器膜片本身屬于易耗件，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求和實(shí)際運(yùn)行工況，廠家制訂維保方案以進(jìn)行定期更換。

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基金項(xiàng)目：中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院青年科技英才項(xiàng)目（KJYC-2023-07）

作者簡(jiǎn)介：常亮（1983~），女，博士研究生，高級(jí)工程師，副總經(jīng)理，主要從事工程技術(shù)工作。

通訊作者：趙博，E-mail：zhaobo19840626@163.com。