PTA裝置TA單元干燥機烘干機，用于蒸發殘留在濕濾餅（粗TA）中的溶劑，其所屬設備進料攪籠軸的作用是將來自于旋轉真空過濾機的物料連續推進至干燥機烘干機本體內。近期在生產過程中發生進料攪籠軸突然斷裂事故，給企業造成較大的經濟損失。為避免此類事故的再次發生，對該軸進行了檢驗及失效分析。
基本情況：進料攪籠軸由日本MITSUI工程與造船有限公司制造，材質為SUS316LIP-S，規格為8英寸-SCH40的管材，外圍螺旋環繞一段攪籠片，攪籠片與管外壁之間通過一些均布的錐形管焊接而成。攪籠軸于2000年5月投用，除每年維修一次外（主要是檢查前后軸承），連續使用近4年，工作中接觸溫度為100 N110℃的TA帶質量分數為19.8%乙酸的介質，接受電機輸入功率為15 kW，轉速54 r/min。
1、化驗及分析
1.1宏觀檢驗
斷裂發生在距攪籠片尾部1/3處，裂紋以一定角度沿管壁周向擴展一周（如圖1，2所示）。除其中一塊有局部明顯受力過大而發生彎曲變形外，均沒有明顯的塑性變形。空心軸外壁因接觸乙酸而發生均勻腐蝕，使表面不再光滑，經測量壁厚無明顯減薄，斷口大部分為脆性斷口，且受到摩擦，呈現閃爍的金屬光澤。在靠近最終的斷口處，碎片內外有一些縱向小裂紋，這是瞬斷時受力過大導致的。
1.2化學成分分析
化學成分分析結果見表1，符合JiS標準對SUS316LTP-S鋼的規定。
1.3金相檢驗
在攪籠軸斷口附近取樣，觀察顯微組織，夾雜物未超標，組織為正常孿晶奧氏體（如圖3，4所示），圖3可見的裂紋與金相試樣選取部位有關。
1.4力學試驗
受碎片尺寸所限，制取非標拉伸試樣，測試結果見表2。
1.5宏觀斷口分析
將整條裂紋的兩端斷口清洗，發現在攪籠軸與錐形支撐的角焊縫斷口有明顯的疲勞斷口特征（海灘標記如圖5所示）。
由此可斷定攪籠軸為疲勞斷裂，裂紋源自管外壁角焊縫焊址引發，擴展到管壁母材。
1.6靜強度校核
1. 6.1按扭轉強度條件校核
2、失效原因分析
攪籠軸化學成分、力學性能均符合原材料標準要求，金相組織正常，強度校核合格，表明材質不存在問題，且完全能承受工作負荷。
斷口宏觀形貌特征表明攪籠軸斷裂屬疲勞斷裂。裂紋源生成于最大應力集中部位，即管外壁角焊縫焊址。裂紋是在使用中萌發。當裂紋生成后，由于軸在工作中受扭轉和彎曲共同作用，具備了疲勞斷裂的條件。
攪籠軸的斷裂過程可描述為在軸的最大應力集中部位因工作中受交變應力引起裂紋，拉應力促使裂紋不斷沿與拉應力基本垂直的方向，即周向擴展，當裂紋擴展到剩余管壁截面強度不能承受工作載荷時，出現過載撕裂，直至整個截面斷開。
3、結論
(1)攪籠軸化學成分、力學性能均符合相關標準規定，金相組織正常，表明材料不存在問題。
(2)靜強度校核合格，表明攪籠軸能滿足工作負荷。
(3)攪籠軸斷裂屬于疲勞斷裂。裂紋源在管外壁角焊縫焊址，裂紋自此處沿周向擴展一周而使空心軸斷裂。
4、解決對策
通過失效原因分析，認為原攪籠軸在結構和制造工藝上有待改進，特別是在管外壁角焊縫焊址處的焊接應力集中區域，設備的抗疲勞能力有薄弱之處。為盡快恢復生產，節約資金，迅速開展了國產化攪籠軸的制造工作，并在國產化制造工藝等方面做了改進：
(1)改進新攪籠軸的結構和制造工藝，提高抗疲勞能力。為保證攪籠軸葉片支撐管與主軸的連接強度，避免在管外壁角焊縫焊址處形成焊接應力的集中區域，在焊接工藝中采取了以下措施：
①氬弧焊打底（焊材HOOCr9Ni2M02），電焊（焊材A022）蓋面，坡口兩側涂白堊粉；
②焊接后立即錘擊，焊接時的層間溫度小于60℃，攪籠軸（空心）內部連續通入冷卻水強制冷卻，并對稱分散焊接；
通過這些方法大大降低和避免了316L材質在焊接中所產生的應力集中和變形。
(2)焊后立即整體熱處理，進行消除應力退火。
(3)為盡量降低攪籠軸表面粗糙度，減少表面掛料造成的負荷增加，攪籠軸在熱處理后進行精加工并做表面拋光處理，確保表面粗糙度達到Ra 0.08~0.16，所有焊縫做打磨處理，消除焊縫與母材的不圓滑過渡。
(4)加強成品檢驗，避免帶缺陷運行，所有焊縫100%著色JB4730-94 -級合格，外觀按照GB150-1998無超標缺陷。
(5)加強干燥機烘干機的運行控制。
在今后的運行中嚴格控制干燥機烘干機的進料負荷，特別是進料濕濾餅的含濕量指標，以避免進料攪籠的超負荷疲勞運行，同時加強對攪籠軸驅動電機運行電流的監控。
5、效益評價
2004年3月10日，國產化攪籠軸上機安裝，到裝置大修時為止已經連續平穩運行4個月，各項運行參數正常。運行期間還利用裝置停車時機對該設備進行了一次徹底檢查和焊逢100%著色檢測，各項指標完全合格。
通過此次攪籠軸的失效分析和國產化制造改進工作，大大提升了PTA裝置設備國產化程度，為企業及時恢復生產奠定了基礎，并節約資金100萬元（從日本原廠家進口該干燥機烘干機攪籠軸需要120萬元人民幣，國產化攪籠軸造價約20萬元），創造了良好的經濟和社會效益。
