黄建明实战案例专栏 | 【案例01】再论200吨压铸机断裂事件分析

来源:微信公众号:航空无损检测
发布日期:2022-08-25 15:48



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好多时候当意外发生后,我们做NDT的到达现场的时机比失效专家要早得多。立即找出同类型构件是否也存在同样的问题,防止意外再次发生是客户急需要做的事情,这方面是我们做NDT的强项,及时地找出裂纹位置、大小以及什么性质的裂纹等,失效分析专家还得找我们帮忙配合的。同时客户是要求尽快解决生产问题的,是等不到失效分析结果的。

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温馨提示:

本系列专栏案例均在夏紀真老师的网站发布过,经作者本人修改和补充后,由本公众号发布,以满足当下年轻人互联网浏览习惯。

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实战案例专栏 /   案例01

微信圈有些年轻人在网上找不到我以前写的文章。


从2008年开始,我的案例专辑大多数在夏纪真老师的个人网站上发布的,我向他查问后,才知道是他的网站目前已经停止使用了。


我便请夏纪真老师(下简称:夏老师)把我以前的文章转发给我,夏老师很爽快地把所有文章回传给我了。


这样我就可以一个一个地用电邮或者微信给有需要的年轻人。可是想这样也不方便啊,后来我在想有什么办法可以放在互联网上呢?


于是我向领翼无损检测科技有限公司的总经理黄辉先生请教,有什么方法可以把我写的一些经验案例能够长期地发布在互联网上,他说,他可以帮我做个专辑分别发布在微信和网站上,这样就可以给更多年轻朋友看到了。


2022年8月18日,我把这篇第一篇文章交给黄辉后,当再次看看这个实战案例-01时,突然发现到我以前的判断是错误的,便立即叫停黄辉…。


欲知详情请先看看本篇我以前发布过的文章,本文最后我会把结果告诉大家。



1983年香港将军澳某铝厂其中一个200吨的压铸机在改装翻新后,只使用了45天时突然断裂倒塌(见图1)。


图1典型的疲劳断裂


铝厂找到我们前去看看到底什么原因造成这么快就断裂?


到达现场后我看到压铸机的一端已经断裂倒塌在混凝土的地上,满地布满破碎的碎片和油污很是恐怖,他们问我 : “是什么原因造成断裂?


我仔细地看过断口后想了想说: “我们坐下来说吧”。


在工厂的会议室里,坐我对面的是太子爷,他的左手边顺序过来是:总工程师机加工车间主任压铸机操作工人,而他右手边是承建商两父子


太子爷问我 : “为什么会断裂?”


我说:若要分析判断为什么会断裂就要经以下步骤分析,首先从这个断口来看是一个典型的疲劳断裂,因为其断口是像刀切一样整齐的断口。


疲劳失效分析就要从以下步骤分析:


1.首先设计是否正确﹝足够强度﹞?因为设计不当不一样会断裂,而且我看这个结构是改装过的。

总工程师说:“原本设计是用8”厚钢板,我现在已加大了一倍用16”厚钢板,怎么计算也是够力了!”

我问:"大家同意吗?"

"同意!"大家说。

OK!


2. 是否操作不当?是否过负荷(over load)?

操作工人马上说:“不可能的,现在压制的产品大约20tonnes左右,根本不到200tonnes。”

我问:“大家同意吗?”

大伙都说:“同意!”

OK!


3.是否机加工不当?造成锐角应力集中?

因为机加工形成的锐角造成应力集中会引起疲劳裂纹。

车间主任答道:“这台设备根本未有任何机加工,不存在机械加工问题。”

大伙也同意他的说法。

OK!


4. 是否有焊接?

总工程师和承建商都一起说:“有。”

请问这是什么材料?

总工程说:“Mild Steel。”(普通钢)(注:应该是中碳钢

我问:“Mild Steel有没有出厂证书Certificate?”

“没有。”

“哪么您是怎么得到这材料的?”我问。

他说:“在元朗有间铁工厂,人家私人送的。”


很明显,这是一个问题了!

材料是否能焊接,这在焊接来说是一个很关键的问题,材料的可焊性成疑!然后我继续问。


5.用什么焊条?


承建商两父子告诉我,他们用了最高强度的德国“宇宙牌”、英国 “红皮” 和日本 “神钢” 等高拉力焊条。


我说:“这又是一个问题,幷不是高拉力焊条就是万能焊条,焊条必须与母材匹配,不匹配是焊不好的。


6. 是否有做焊接工艺试验?

“没有。”


7. 是否有用有牌的焊工?是否由有资质证书的焊工施焊?

“没有。”


8. 是否有预热?

16”厚的大钢板不预热是很危险。

“没有。”


9. 是否有控制焊道间温度?

“没有。”


10. 是否有做焊后热处理?

总工程师说:“有! 我看到他们焊了十多天,反正我们有大型电炉,所以我把整个焊完的工件搬到电炉做了一次回火。”

OK! 就算有吧!


11. 在使用前是否有做NDT?

“没有。”


其实这个时候做NDT是可以发现裂纹的,不至于造成撕裂,可以减少损失。


事后我问焊工,你在焊接的过程看到些什么?


他说: “看见焊缝边缘有条缝隙,我就在它表面再焊过”。


其实在焊接的过程中已经产生裂纹了,而这个没有经验的焊工根本不知道是裂纹。很明显根据以上分析找到断裂原因是焊接方面出问题。


我说:“因为在不知什么材料的情况下,在没有焊接工艺试验和正确焊接步骤的情况下,没有预热没有控制好层间温度以及用不具备有资格,没有经验的焊工进行焊接是很容易造成早期的疲劳裂纹。”(注:这里不应该是疲劳裂纹,而是焊接裂纹,属于制造过程中的加工缺陷)


我解释道:“金属疲劳断裂在形成断裂之前首先要达到断裂临界尺寸,而临界尺寸,视乎不同的设计、工件及使用状况,可能需要经过很长时间,多则几十年少则几天形成,但是一过了它的临界尺寸,疲劳断裂就像破竹般地瞬间断裂。


操作工人说:“是的,我听到轰一声响,几秒钟就断下来,水泥地上还砸了个洞。”


而在这个时那位承建商的父亲愤怒地看着我,走出会议室从车间找来一根焊条,用手抓住焊条在我们面前不停地来回弯曲,臭骂地对我说:“铁来的啊!什么破竹,死靓仔(注:粤语,毛头小子,此处含贬义),阿叔烧焊时!你仲着紧(注:粤语,你还穿着)开档裤,有冇可能铁像破竹哪样断裂!你焊给我看,如果你能焊得唔断,我批(注:粤语,砍)个头落来,俾你当凳仔坐!X他妈 …”,对我臭骂连篇。


他儿子就把他拉出会议室,他可能认为我找出的原因是因为他焊接得不好造成的,这可要赔偿损失的,所以他臭骂我。


这个时候太子爷说话了,他说:”算了!算了!不追究谁的责任,他与我父亲几十年老友,没可能要他赔偿,现在想办法怎么解决这个问题。”


他问我有什么方法解决这个问题而且越快越好,因为公司刚接到一批四百万的订单,如果交不了货就要赔偿。


我想了想,就说:”买材料重新做。”

他说:”你帮我找了。”

我说:“好!”


我马上打电话给香港卖铁料的公司,问是否有16”厚的钢板,查了几家都说没有现货,订货要2~3个月。


太子爷说:”2~3个月就太晚了,还有什么方法?”


我想想下说:”那只好焊接了。”


他说:”好!你赶快帮我把它焊好!”


“那就把这个断件放在我的车上吧,等我运回公司作个化学分析,先看看它是什么级别的材料是否能够焊接。” 我说。


工人就把断件抬到我的私家车尾部,当时将军澳是在深山里面路也不好。我开车向山坡上走,一上斜坡,由于断件在车尾,重心失去平衡,我驾驶的车车头向天翘起,把我给吓得半死,十几个工人看见马上冲上来扶住我的车,慢慢地放下来,然后把断件移到车中间位置,我才慢慢驾驶爬上山坡驶回公司。


当时的联合船厂HUD,是由香港最大的黄埔/太古两间船厂合并的,最有实力和具备焊接条件的船厂,我回来后,首先做化学分析,看看这是什么材料,是否能焊接!


然后通知焊接车间主任过来看看,准备焊接工艺和方法,从化验结果得出,它是一件铸钢,含碳高达0.35%,是很硬的钢,幸好它还能焊接,这就通知铝厂把其余部份的断件一起送来船厂进行焊接


选择一个级别较低的焊条,用埋孤焊接方法,坡口用X坡口,交替地分两边进行焊接。


整体预热至150℃,层间温度控制在250℃以下,焊完之后马上升温至750℃回火热处理工序,冷却后再做了一次超声和磁粉探伤。


我不放心,又在使用前到现场做了一次载荷试验,试到250tonnes都没有事,我就放心给客户使用了!


二十多年过去了,从未再听说断裂了!


这也是一个成功解决问题的案例,这是个非常普通的常识,稍有焊接常识的人都懂的,但是真正在制造业从事粗重的工作的人多数是没有文化的工人,在香港以前这些工人大多数来自大陆沿海农村的农民,千辛万苦偷渡来到香港要生活、要生存他们什么都肯做,就像现在国内的农民工,而这些文化程度不高也没有经过专门培训的农民工,正如美国船级社的赵先生说的 : “他们刚刚放下个7字(锄头),你就要他抓焊条,他能焊得好吗?”


国内现在很多豆腐渣工程正是这些什么都敢做的农民工做的,不是说他们有心做假偷工减料,是由于他们不懂又没有经验造成的豆腐渣工程,我们应对他们进行反复不断的培训和加强工程的过程监管。


我想通过这个案例告诉大家,我们作为一个检测人员如果有这方面的常识,遇到这种情况时主动地提供帮助就可以避免事故发生,同时可以得到客户的欣赏和长久信任


各位看官当你看完以上的描述是不是感觉良好啊? 没错啊!(以下内容于香港2022年8月22日


我以上的描述对焊缝来说就是一些最基本的常识,也是正常的逻辑思维方法。


可是再仔细看看断口形貌,就会发现裂纹的源头并不是来自于焊缝一侧。而是反方向的对面,也就是说疲劳失效的主因并不是由焊接引起的。这就是我发现错误的地方。


为了求证结果,我找我的同事共同研究和讨论这个案例,反复探讨也解释不清。


我又主动向香港的一位疲劳失效专家请教,我把断口图片和压铸机结构示意图给他看。


他看完后肯定地告诉我,这是一个疲劳失效断口,因为在断口下方可以看到有多个源头,他标示出的裂纹源头位置。(见图3图4)


(图3 压铸机结构示意图)

(图4 专家指出多个裂纹源头位置)


为什么立柱也会断裂? 他说:好难理解。


我在网上找到一个正确油压机结构图,然后仔细描绘出详细的结构图,就清楚地看到裂纹的产生的确是从下面开始的。(见图5) 我把这张图给专家看过后。


图5 200 吨压铸机结构示意图


他立即说:”明了,Fatigue 起点好正常。”


很明显当工件受压左右不平衡时形成很大的弯曲力,例如:


右侧不动左侧继续上升对右侧形成一个摃杆的撬动力 (弯曲),也就对上横梁的右侧下面形拉应力。当超出材料本身的承受力或者母材上有瑕疵时就可能造成开裂至最后断裂。


我说:“看来是原材料本身有伤 (缺陷)。”

他说:“不一定,可能被下面的柱头压伤。”

我说:“会不会左右高低不一样受压时倾斜形成弯曲断裂?”

他说:“有机会。”

他还说:“看断口最后断裂的面积大,几乎占了一半说明受力相当大。”

我说:“操作工人说只有20吨。”

他说:“你以为啊! 肯定很大力OVER LOAD都有可能。”


什么是疲劳裂纹?


教科书上是这样描述疲劳裂纹的:典型的疲劳断口按照断裂过程的先后可分为三个特征区,即疲劳源区、疲劳扩展区和瞬断区 。


我们再看看这个断口完全吻合这三个特征 (图1和图4)。


香港的失效分析专家也帮我证实是疲劳失效断口,只不过源头不在焊缝侧。


为什么当初我会认为是焊缝引起的呢? 原因有以下四点:


1.角焊缝边缘看见有裂纹;(以为就是焊缝裂纹引起的)

2.只使用了45天 (时间短);

3.焊接过程不规范;(也看到和听到焊工的描述)

4.对压铸机结构和受力的理解不足。(以为只有上横梁的焊缝侧受弯曲拉应力)


看看 (图3) 这是我当年画的压铸机结构示意图,我以为左右两侧的立柱是不动的,中间油缸柱塞向上升的时候进行压铸工作,这样的话对焊缝一侧来说就是弯曲的拉应力,如果焊缝本身有裂纹时肯定会快速地撕破断裂。


我还明确地指出裂纹在左右两条角焊缝的边缘,因为左侧的角焊缝我们做MT时也清楚地看到有裂纹,而且焊工也告诉我他看到焊缝边缘有条 “缝隙” 就再补焊一道上去。


修理时用碳弧气刨和砂轮打磨约50mm 深才完全清除裂纹,也就是这样被焊缝裂纹误导。


右侧已断裂当时也没有去查看是否有裂纹,只是在焊接之前先把旧焊缝铲除,开X型坡口,用埋弧焊进行焊接。


我们在理解什么是疲劳裂纹时,通常首先考虑是一定要使用过一段时间的构件,而且是很长的时间,以年为限的考量,心里想没理由只使用45天就断裂了。


其实这种概念是不正确的,(也是一种偏见-想当然!) 因为还要考虑到它的使用次数(周期),压铸机每次一上一下的操作过程,就是一个弯曲动力的反复载荷周期,对上横梁来说上下两个面都一样是有拉伸和有压缩应力的,相对来说焊缝一侧拉应力会更大些。


工厂大批量的产品要生产,每天24小时工作是常见的,那么45天下来的反复次数(周期)肯定是很多的了,再加上足够大的压铸应力,也就具备形成金属疲劳的条件。


只要上横梁上有缺陷 (划痕、缺口、电弧烧伤等) 就有可能产生金属疲劳失效而断裂。而且这块钢板人家私人老板送的也不知道是否用过的或者已经受伤有缺陷的。


焊接不规范加上材料含碳量偏高造成早期的焊脚边裂纹,在日后的使用中也会形成疲劳裂纹的。只不过这次是上横梁母材下面先出现疲劳裂纹。


什么原因呢?我也不知道。近40年前的事了,因为当时没有用失效分析去追查结果,现在只有一张断口照片来判断是不能轻易下结论的。


最后总结:


对一个从事无损检测的人来说,在金属疲劳失效分析方面肯定不及专业的失效分析专家,难免有不正确的判断和理解,这方面我必须承认自己的不足。


好多时候当意外发生后,我们做NDT的到达现场的时机比失效专家要早得多。


立即找出同类型构件是否也存在同样的问题,防止意外再次发生是客户急需要做的事情,这方面是我们做NDT的强项,及时地找出裂纹位置、大小以及什么性质的裂纹等,失效分析专家还得找我们帮忙配合的。同时客户是要求尽快解决生产问题的,是等不到失效分析结果的。


尽管我当时的判断不完全正确,却最终完美地解决了客户的问题,我认为也是值得的。各位认为如何?



关于作者



黄建明长期从事在役无损检测技术工作近40年。任职于香港安捷材料试验有限公司,北京理工大学珠海学院“应用物理(无损检测方向)”本科专业兼职教授。美国焊接学会会员,美国无损检测学会会员,中国机械工程学会会员暨无损检测分会理事。英国焊接和无损检测人员考试发证章程(CSWIP)焊接检验督察,英国无损检测人员考试发证章程(PCN)II级焊缝射线照相评片员,美国焊接学会(AWS)高级焊接检验督察,AWS焊接导师,美国无损检测学会(ASNT)NDT检验师-UT、RT、MT、ET III级(高级)技术资格,中国机械工程学会无损检测分会RT、UT 3级(高级)技术资格。


联系方式:

邮箱:kmwong@aes.hk

公司:香港安捷材料试验有限公司 


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