PTA装置TA单元干燥机烘干机，用于蒸发残留在湿滤饼（粗TA）中的溶剂，其所属设备进料搅笼轴的作用是将来自于旋转真空过滤机的物料连续推进至干燥机烘干机本体内。近期在生产过程中发生进料搅笼轴突然断裂事故，给企业造成较大的经济损失。为避免此类事故的再次发生，对该轴进行了检验及失效分析。
基本情况：进料搅笼轴由日本MITSUI工程与造船有限公司制造，材质为SUS316LIP-S，规格为8英寸-SCH40的管材，外围螺旋环绕一段搅笼片，搅笼片与管外壁之间通过一些均布的锥形管焊接而成。搅笼轴于2000年5月投用，除每年维修一次外（主要是检查前后轴承），连续使用近4年，工作中接触温度为100 N110℃的TA带质量分数为19.8%乙酸的介质，接受电机输入功率为15 kW，转速54 r/min。
1、化验及分析
1.1宏观检验
断裂发生在距搅笼片尾部1/3处，裂纹以一定角度沿管壁周向扩展一周（如图1，2所示）。除其中一块有局部明显受力过大而发生弯曲变形外，均没有明显的塑性变形。空心轴外壁因接触乙酸而发生均匀腐蚀，使表面不再光滑，经测量壁厚无明显减薄，断口大部分为脆性断口，且受到摩擦，呈现闪烁的金属光泽。在靠近最终的断口处，碎片内外有一些纵向小裂纹，这是瞬断时受力过大导致的。
1.2化学成分分析
化学成分分析结果见表1，符合JiS标准对SUS316LTP-S钢的规定。
1.3金相检验
在搅笼轴断口附近取样，观察显微组织，夹杂物未超标，组织为正常孪晶奥氏体（如图3，4所示），图3可见的裂纹与金相试样选取部位有关。
1.4力学试验
受碎片尺寸所限，制取非标拉伸试样，测试结果见表2。
1.5宏观断口分析
将整条裂纹的两端断口清洗，发现在搅笼轴与锥形支撑的角焊缝断口有明显的疲劳断口特征（海滩标记如图5所示）。
由此可断定搅笼轴为疲劳断裂，裂纹源自管外壁角焊缝焊址引发，扩展到管壁母材。
1.6静强度校核
1. 6.1按扭转强度条件校核
2、失效原因分析
搅笼轴化学成分、力学性能均符合原材料标准要求，金相组织正常，强度校核合格，表明材质不存在问题，且完全能承受工作负荷。
断口宏观形貌特征表明搅笼轴断裂属疲劳断裂。裂纹源生成于最大应力集中部位，即管外壁角焊缝焊址。裂纹是在使用中萌发。当裂纹生成后，由于轴在工作中受扭转和弯曲共同作用，具备了疲劳断裂的条件。
搅笼轴的断裂过程可描述为在轴的最大应力集中部位因工作中受交变应力引起裂纹，拉应力促使裂纹不断沿与拉应力基本垂直的方向，即周向扩展，当裂纹扩展到剩余管壁截面强度不能承受工作载荷时，出现过载撕裂，直至整个截面断开。
3、结论
(1)搅笼轴化学成分、力学性能均符合相关标准规定，金相组织正常，表明材料不存在问题。
(2)静强度校核合格，表明搅笼轴能满足工作负荷。
(3)搅笼轴断裂属于疲劳断裂。裂纹源在管外壁角焊缝焊址，裂纹自此处沿周向扩展一周而使空心轴断裂。
4、解决对策
通过失效原因分析，认为原搅笼轴在结构和制造工艺上有待改进，特别是在管外壁角焊缝焊址处的焊接应力集中区域，设备的抗疲劳能力有薄弱之处。为尽快恢复生产，节约资金，迅速开展了国产化搅笼轴的制造工作，并在国产化制造工艺等方面做了改进：
(1)改进新搅笼轴的结构和制造工艺，提高抗疲劳能力。为保证搅笼轴叶片支撑管与主轴的连接强度，避免在管外壁角焊缝焊址处形成焊接应力的集中区域，在焊接工艺中采取了以下措施：
①氩弧焊打底（焊材HOOCr9Ni2M02），电焊（焊材A022）盖面，坡口两侧涂白垩粉；
②焊接后立即锤击，焊接时的层间温度小于60℃，搅笼轴（空心）内部连续通入冷却水强制冷却，并对称分散焊接；
通过这些方法大大降低和避免了316L材质在焊接中所产生的应力集中和变形。
(2)焊后立即整体热处理，进行消除应力退火。
(3)为尽量降低搅笼轴表面粗糙度，减少表面挂料造成的负荷增加，搅笼轴在热处理后进行精加工并做表面抛光处理，确保表面粗糙度达到Ra 0.08~0.16，所有焊缝做打磨处理，消除焊缝与母材的不圆滑过渡。
(4)加强成品检验，避免带缺陷运行，所有焊缝100%着色JB4730-94 -级合格，外观按照GB150-1998无超标缺陷。
(5)加强干燥机烘干机的运行控制。
在今后的运行中严格控制干燥机烘干机的进料负荷，特别是进料湿滤饼的含湿量指标，以避免进料搅笼的超负荷疲劳运行，同时加强对搅笼轴驱动电机运行电流的监控。
5、效益评价
2004年3月10日，国产化搅笼轴上机安装，到装置大修时为止已经连续平稳运行4个月，各项运行参数正常。运行期间还利用装置停车时机对该设备进行了一次彻底检查和焊逢100%着色检测，各项指标完全合格。
通过此次搅笼轴的失效分析和国产化制造改进工作，大大提升了PTA装置设备国产化程度，为企业及时恢复生产奠定了基础，并节约资金100万元（从日本原厂家进口该干燥机烘干机搅笼轴需要120万元人民币，国产化搅笼轴造价约20万元），创造了良好的经济和社会效益。
