علل شکست شفت ایرهیتر یک نیروگاه

خلاصه

در این تحقیق، علل شکست شفت ایرهیتر یک نیروگاه به کمک بررسیهای ماکروسکوپی و میکروسکوپی و همچنین آنالیز تنش مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. بررسیهای ماکروسکوپی نشان دهنده آن است که شفت دچار خستگی مکانیکی شده است و آنالیز تنش انجام شده، وجود تمرکز تنش در محل شکست را نشان میدهد.
بررسیهای ساختاری توسط میکروسکوپ نوری نشان دهنده آن است که شفت در هنگام تولید مورد عملیات حرارتی سطحی قرار گرفته است و پس از عملیات حرارتی، ساختار مناسبی جهت مقاومت به خستگی به دست آورده است. اما به علت عدم انجام تمهیدات لازم در حین بازسازی، ساختار میکروسکوپی سطح خارجی شفت تغییر یافته و شفت دچار خستگی شده است.

مقدمه

رایج ترین دلیل تخریب قطعات مهندسی، شکستهای خستگی هستند[۱] .شکست هایی که در شرایط بارگذاری دینامیک رخ می دهند شکست های خستگی نامیده می شوند که این نوع شکست ها غالبا خطرناک هستند. دلیل عمده خطرناک بودن شکست خستگی این است که بدون هشدار قبلی روی می دهد.

سه عامل عمده برای وقوع شکست خستگی عبارتند از:

۱- یک تنش کششی حداقل

۲- تغییرات زیاد یا نوسانی در تنش وارده

۳- زیاد بودن چرخه های تنش وارده. علاوه براینها متغیرهای دیگری مانند تمرکز تنش، خوردگی، دما، بار اضافی، ساختار متالورژیکی، تنش های باقیمانده و تنشهای مرکب نیز شرایط را برای ایجاد خستــگی مساعد میسازند.

در ادامه، بررسی شکست شفت ایرهیتر یکی از واحدهای بخار نیروگاهی پس از دریافت اطلاعات بهرهبرداری ارائه میگردد.

جمع آوری اطلاعات

جهت بررسی علل شکست شفت، ابندا نحوه کار شفت، نوع و مشخصات سایر قطعات درگیر با شفت، نوع وچگونگی بارگذاری نیروها بر روی شفت در محل نیروگاه مشاهده گردید. اطلاعات بهره برداری و سازنده واحد مشخص کننده آن بود که نیروی اعمالی به شفت برابر با ۲۵ تن و تعداد دور شفت در هر دقیقه برابر با ۳ میباشد.
همچنین قسمت کوچکی از سطح شفت پس از کارکرد آن بدلیل سایش، بکمک جوشکاری مورد بازسازی قرار گرفته است.

تعیین آلیاژ شفت

ترکیب شیمیایی آلیاژ شفت که توسط روش کوانتومتری تعیین گردیده است. این ترکیب شیمیایی نشان دهنده آن است که این شفت در محدوده فولاد با شماره مواد ۱۱۹۱/۱  مطابق با استاندارد (۳)DIN  قرار دارد.

بررسی چشمی

تصویر ظاهری شفت شکسته در شکل ۱ نشان داده شده است. همانگونه که ملاحظه می گردد شفت به طور کامل به دو قسمت تبدیل شده است. همچنین سطح شکست به دو قسمت مجزا  قابل تقسیم میباشد و شکست دقیقاً در قسمتی که شفت دارای تغییر قطر می باشد اتفاق افتاد ه است. محل های آغاز ترک را می توان به خوبی در اطراف سطح شکست ملاحظه کرد.

تمیزکاری و فراکتوگرافی سطح شکست

قبل از بررسی دقیق سطح شکست توسط میکروسکوپ، یکی از دو نیمه سطح شکست به کمک محلول استون تمیز گردید سپس سطح فوق با میکروسکوپ استریو مورد بررسی قرار گرفت.

انجام آزمون اولتراسونیک

جهت بررسی عیوب داخلی شفت، قسمت هایی از آن توسط امواج اولتراسونیک مورد بررسی قرار گرفت و عیوب قابل ملاحظه ای مشاهده نگردید.

 آماده سازی وبررسی مقاطع متالوگرافی

به منظور بررسی ریز ساختار شفت، دو مقطع از آن جدا گردید. این دو مقطع به همراه مقطع شکست شفت پس از آماده سازی سطح (سنباده زنی، پولیش و اچ) مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند که نتایج بررسی مقاطع متالوگرافی به شرح ذیل میباشند:

الف – سطح خارجی شفت در زمان تولید آن توسط عملیات حرارتی سخت گردیده است و قسمتهایی از سطح خارجی نیز در هنگام تعمیرات پس از مدتی که شفت در سرویس قرار داشته است جوشکاری شده است.
‌ب – ریز ساختار مغز شفت (ریزساختار داخلی کل شفت به غیر از مناطق نزدیک به سطح خارجی) شامل فریت و پرلیت می باشد.
‌ج – سطوحی که آثار جوشکاری بر روی آنها به وضوح ملاحظه می گردد دارای دانه های ستونی می باشند.

‌د- ریز ساختار شفت در مناطقی که مورد عملیات حرارتی قرار گرفته (و اثرات جوشکاری در آنها کمتر است) شامل مارتنزیت تمپر شده است.

‌ه- در مناطق دور از سطح خارجی (تقریبا در فاصله ۴ میلیمتری از سطح خارجی) ساختار حاوی مارتنزیت بیشتری می باشد، لیکن با نزدیک شدن به سطح خارجی شفت با توجه به اثرات حرارتی جوشکاری و عملیات حرارتی تمپرینگ، ساختار عاری از مارتنزیت شده و شامل فریت و کاربید می شود.
‌و- جوشکاری موجب تخریب کل ساختارحاصل از عملیات حرارتی در برخی از مناطق سطح خارجی شده است.

انجام آزمون سختی سنجی

جهت تکمیل مشاهدات میکروسکوپی و ماکروسکوپی، بر روی دو مقطع جدا شده و همچنین مقطع شکست، مقادیر سختی در فواصل ،۱/۰ ،۵/۰ ،۵/۱ ۵/۵،۲/۳ و … میلیمتری از سطح شفت تعیین گردید .

آنالیز تنش

جهت انجام آنالیز تنش شفت ابتدا نقشه شفت بصورت ساده تهیه و سپس به کمک نرم افزار Ansys5.4 توزیع تنش با در نظر گرفتن نوع و میزان نیروهای اعمالی به شفت استخراج گردید.در مکانی که شفت دارای تغییر قـطر می بـاشد تنش قـابل توجهـی اعمـال می گردد. این موضوع با در نظر گرفتن دوران شفت نشان دهنده اعمال تنشهای تناوبی زیاد به مقطع مذکور میباشد.

تعیین نوع شکست، مکانیزم زوال و نتیجه گیری

وجود دو سطح متمایز در مقطع شکست، زاویه ترکهای اولیه و حضور علایم رودخانه ای (Beach Marks) نشان دهنده آن است که شفت دچار خستگی مکانیکی گردیده است و وجود چندین محل برای آغاز ترک (Rachet Marks) نشان دهنده آن است که مکانیزم تخریبی غالب در شکست شفت، خستگی خمشی می باشد. تحلیل تنش انجام گرفته به کمک نرم افزار و مشخص شدن اعمال نیروهای نوسانی بر روی شفت در حین سرویس و بالابودن میزان تنش اعمالی وقوع خستگی را تایید می نماید.
وجود حداقل شعاع (Fillet) در مکانی که شکست رخ داده است ( قطر شفت در سه قسمت تغییر می کند که در محل شکست شفت، شعاع (Fillet) کمترین است) و همچنین تحلیل تنش انجام گرفته به کمک نرم افزار موید این موضوع است که این مقطع دارای تمرکز تنش فراوانی می باشد و از جمـله مراکـز منـاسب برای ایجاد تـرک خستگی و اشـاعه آن می باشد.

وجود سختی بالا در برخی از قسمتهای سطح شفت و همچنین ریز ساختار شفت در سطح نشان دهنده آن است که بر روی شفت عملیات حرارتی به منظور تغییر دادن ساختار و بهبود خواص مکانیکی و به خصوص افزایش استحکام خستگی صورت گرفته است. لازم به ذکر است که خستگی فرآیندی است که به شدت به سطح حساس می باشد و بطور کلی یکی از عمده ترین روشهای افزایش استحکام خستگی شفتهای بزرگ عملیات حرارتی سطحی آنها می باشد. متاسفانه در برخی از نواحی سطحی شفت مورد مطالعه ( از جمله در اطراف سطح شکسته شده ) درهنگام بازسازی، جوشکاری انجام شده است و این موضوع موجب گردیده است که استحکام خستگی شفت دراین نواحی کاهش یابد و با در نظر گرفتن اثرات تمرکز تنش در موقعیت شکسته شده، شفت در این نقطه دچار خستگی گردد.

روش پیشگیری

۱- بطور کلی در مورد شفتهایی که عملیات حرارتی شده اند روش جوشکاری جهت بازسازی توصیه نمی گردد. (به علت اثرمخرب جوشکاری و یا حتی اثر مخرب عملیات حرارتی پس از جوشکاری).

لذا بهتر است در صورت مشاهده اثرات تخریبی درسطح شفت از روشهای دیگر (از جمله پوشش دهی) استفاده گردد.
۲- در صورت انجام جوشکاری باید با استفاده از روشهایی مانند ساچمه زنی و عملیات حرارتی مناسب، استحکام خستگی شفت افزایش یابد.
۳- با توجه به تمرکز تنش در سطح مقطع شکست به علت تغییر قطر شفت در این مکان در هنگام ماشینکاری (بازسازی) به صافی سطح و شعاع (Fillet) باید توجه کافی داشت. (یکی از دلایل تشدید کننده خستگی در این شفت می تواند ماشینکاری نادرست آن پس از جوشکاری باشد).

 منابع و مراجع

[۱] L. Engel and H. Klingele, ” An atlas of metal damage “, Wolfe Publishing Ltd., 1981, p.76.
[۲] G. E. Dieter, “Mechanical Metallurgy”, McGraw Hill, Second ed., 1976, pp.404-406.
[۳] C.W. Wegst, “Key to Steel”, Verlag Stahlschlussel Wegest GmbH, 1998.

نویسندگان: علی اکبر فلاح، کامران خداپرستی، علی حاجی محمد‌نظری