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疲劳损坏案例与分析  

2017-01-25 22:50:07|  分类: 06专业资料 |  标签: |举报 |字号 订阅

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 疲劳损坏案例与分析

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胡讷敏

疲劳失效(或称“疲劳损坏”)是承受交变应力构件的一种失效形式。在机器设备应用中,疲劳失效可以造成小到齿轮、轴承一类的零件损坏,大到整台设备报废,甚至可能发生同时导致其他财产以致人身损害事故发生。在机器设备向大型、精密、高速、高价值发展的今天,疲劳失效以其破坏性巨大和不容易发现、预防更具风险。在保险实务中,若非对专业有所研究,一般对机器设备的疲劳损坏只是一种通俗理解,或者说只是一种概念性的了解。而仅以通俗理解或概念性的的知识分析保险责任、处理赔付案件,其道理自然不免苍白,所以在对疲劳失效导致的设备损坏的保险责任分析上一直是难题。这里将陆续介绍几个机损险项下疲劳损坏事故处理案例,同时提出个人见解,旨在抛砖引玉,希望引起注意与讨论。

案例一:压缩机曲轴断裂案

这是一座中型化肥生产企业曾发生的事故:夜班工作时,正在运转中的氮氢压缩机主轴意外断裂,造成压缩机严重损坏,被保险人要求保险人在机器损坏险保单下予以赔偿。

因本案损失较大和专业性较强,接到报案后,保险人随即委托公估公司查勘处理。经过查勘与现场了解,本案事故受损设备是一台功率为1300kw的氮氢压缩机,在夜班工作时发生巨响,随即停机,当时看到因巨大的震动使压缩机扭转位移、曲轴箱等部分箱体发生破裂。拆开检查看到压缩机曲轴断裂,其他零件如连杆、活塞拉杆、轴瓦、瓦座、机体、曲轴箱等一大部分零件断裂或明显变形。经过对曲轴断口检查分析,确定为疲劳断裂,进而判定该机事故发生原因和过程为,运转中的压缩机曲轴疲劳断裂后,运动的断裂件对相邻零件的撞击以及强大的惯性与震动力导致其它零部件断裂或变形损坏。

在对保险责任的分析判定上,公估人依据技术分析和对保单条款的理解,在确认事故原因是疲劳损坏的基础上,认为疲劳损坏属于机器设备运行必然引起的后果, 随后根据保单关于除外责任条款中关于“机器设备运行必然引起的后果,如自然磨损、氧化、腐蚀、锈蚀、孔蚀、锅垢等物理性变化或化学反应”的约定,认为不属于保险责任,建议保险人对本案事故损失拒赔处理。最终保险人没有完全采纳公估人的意见,而是与被保险人协议赔偿。

案件处理分析:

首先可以确认公估人对事故原因的分析,即判断“疲劳损坏”是正确的。简单地说,疲劳损坏是在材料受力小于其静强度极限的情况下,由于交变应力多次重复的作用,对于轴类零件会在表面或某一应力集中的点发生初始裂纹(称“疲劳源”),由于切口作用逐渐发展、扩大,则未断裂的实体连接部分承受的应力随之逐渐增加,直至超过其静强度极限后断裂。从曲轴断口的照片可以看到,A点位置是疲劳初期裂纹即疲劳源,自此裂纹逐渐向外发展;B区域可见裂纹以疲劳源为中心,波纹状向外发展;C区断面粗糙,是最后一次性断裂的表面。(如下图所示)

疲劳损坏无疑是一种渐变的过程,但是疲劳损坏可否认为是“机器设备运行必然引起的后果” 则是需要慎重考虑的。根据对疲劳失效的研究,其形成条件很复杂,除交变应力频率因素外,疲劳强度与材料性能、强度、表面质量以及设计结构(应力集中)有关。不同的材料抗疲劳性能不同,而且应当注意的是,各种材料抗疲劳性能的研究到今天还只能是实验性的。零件设计(加工)结构上,应力集中是导致疲劳损坏发生的重要条件。零件的表面质量不仅指表面光洁度,包括加工方法如热处理及挤压加工等形成的零件表面应力特性。显然,本案的处理中公估人将疲劳损坏定义为是“机器设备运行必然引起的后果” ,有失偏颇。在前面提到的疲劳损坏原因中可看到有属于设计、制造或原材料的原因,根据保险条款的约定,如果损坏原因是“设计、制造或安装错误、铸造和原材料缺陷”  应属于保险责任。对本案的处理上,保险人没有采纳公估人的拒赔意见,而是通过协商予以赔偿,表现了负责的态度,同时说明对此类案件的认定、处理拿捏不准。

在机损险责任范围成立条件中,另一个不可忽视的要件是在保单中对保险责任所限定的“突然的、不可预料的意外事故造成的物质损坏或灭失”这一条件。对于本案而言,除了有经验的人员或者通过特殊检查方法早期已经检测疲劳源出现外,事故的发生对被保险人是突然的、不可预料的,不应由于疲劳损害发生要有一定的过程而简单地认为是可以预料的“必然后果”。另外应注意,由于技术原因复杂,疲劳损坏的保险责任应综合各种因素进行分析,要在正确的技术结论前提下结合保险合同约定分析判定责任与损失,以保证保险合同履行的诚信与公平。

(二)

  案例二:齿轮疲劳损坏案

  ◆案情

  2007年某公司报案:一台减速器由于齿轮上面安装的平衡块掉落,使大齿轮轮齿折断,造成齿轮断裂,要求保险人在机损险项下予以赔偿。

  被保险人报告事故损失的设备是一台一级传动(减速器中只有一对相啮合的齿轮)大型减速器,输入功率估计在200kw以上(设备铭牌与拖动电机铭牌均已缺失),该设备用于带动球磨机工作。从外观看,该减速器非常陈旧,据了解已经连续使用超过二十年。齿轮箱打开检查,看到被动齿轮确有数个轮齿断裂,同时看到主动齿轮与被动齿轮的轮齿表面均多处点蚀,齿根严重磨损,轮齿断裂面有些局部较为光滑(下图左为被动齿轮,右为主动齿轮),损坏前减速器处于有油润滑状态,未见其他损坏原因。在对本案的处理中,理赔人员根据齿轮磨损情况认为,该齿轮损坏的原因是长期磨损也就是自然磨损,根据保险合同除外责任的有关约定,告知被保险人拒绝赔偿,被保险人接受了这个结论。

  ◆对案件处理的分析

  本案受损的保险标的,即减速器连续工作已经超过二十年,虽然设备损坏的直接原因是部分轮齿断裂,但根据齿根已经深度磨损,明显降低了轮齿强度的事实可以判断该设备损坏是由于严重磨损造成的。据此,本案保险人以长期磨损自然磨损确定事故原因,依据机器损坏险保险合同关于机器设备运行必然引起的后果,如自然磨损、氧化、腐蚀、锈蚀、孔蚀、锅垢等物理性变化或化学反应的除外责任约定,予以拒赔,从技术分析上看符合事实,合同条款应用也是正确的。

  ◆点蚀损坏的保险责任讨论

  点蚀是疲劳失效的一种形式,其形成源于材料表面重复受压形成的脉动应力(应力从零到最大值往复变化),称为接触疲劳。这种疲劳损坏的表现形式与前一案例轴类零件不同的是,其表面裂纹一旦产生,随工作应力作用裂纹张开,此时将有润滑油进入裂缝,从工作偶件相互作用(如齿轮啮合)到脱离接触进入下一工作循环,粘滞于缝隙中的润滑油受裂纹弹性闭合和工作应力作用同时挤压,在缝隙内形成很大的压力,就使得除了受到表面的压应力外,工作零件材料内部还受到油压对裂纹的作用,加之其他各种原因的综合作用,零件表面材料凹坑状脱落,称为点蚀。

  点蚀的破坏点从少到多,到连成片。点蚀现象不仅见于齿轮,与之类似的以挤压接触为主要工作应力的零件如凸轮、滚动轴承等都可能发生点蚀。点蚀失效的发生同样与材料、表面质量(包括工作偶件的表面质量)、工作(润滑等)条件有关。

  如果对本案事故发生原因作进一步分析,则点蚀是齿轮损坏更根本的原因。本案减速器齿轮损坏基本过程为:脉动应力作用——疲劳裂纹形成——点蚀(轮齿表面消弱、齿表材料脱落)发生、逐渐扩大——磨损加剧——断齿发生。从生产实践来看,只要润滑良好,点蚀发生和损坏扩大一般是一个长时间的过程。

  明确了点蚀发生的原因,再看保险合同的约定,以判断点蚀是否属于保险责任。在前面引用的机损险所约定的责任免除条款中,我们看到了关于腐蚀、锈蚀、孔蚀的表述,但条款中并没有对点蚀的表述,目前也没有见到过关于对孔蚀的具体解释(孔蚀概念的由来将在后面的案例中分析)。应当说,尽管有时点蚀的表面现象与针孔腐蚀的现象相似,但是如果把点蚀解释为腐蚀或者套用孔蚀这一词汇仍显不够规范(对保单的进一步分析将在后面的案件分析中完成),难有说服力。实际上对点蚀的保险责任分析应注意另一个保险责任成立要件,即突然的、不可预料的意外事故造成的物质损坏或灭失,舍此机损险保险责任是不能成立的,既然点蚀在一般情况下,是长时间形成,且损失是逐渐扩大的,根据这一要件,其保险责任是不成立的,除非有证据证明事故损失系其他原因导致的突发意外事故。

(三)

  案例三:泥浆泵气蚀损坏案

  案情:

  2008年曾有这样一个案例,某厂用于污水处理的泥浆泵损坏,拆检发现泵的转子严重气蚀损坏,被保险人要求保险人在机损险项下予以赔偿。开始时保险公司以气蚀属于保险单除外责任条款所约定的孔蚀情形为由,予以拒赔。而被保险人抗辩认为,气蚀不属于保险条款约定的孔蚀的情况,同时气蚀的发生与安装设计有关,应属保险条款中保险责任项下所约定的设计、制造或安装错误、铸造和原材料缺陷范围,坚持要求保险人予以赔偿。几经协商谈判后,保险人最终同意赔偿。

  案件处理分析:

  右侧的照片是泥浆泵损坏后的转子损坏情况,气蚀的特征非常典型。从照片即可判断,泥浆泵转子为气蚀损坏,保险人对事故原因的认定是正确的。在对此案的处理上,保险人开始认为气蚀等同于保单中所约定孔蚀的概念,不属于保险责任,予以拒赔,其后被保险人根据对气蚀发生的原因提出气蚀的发生系由于设计安装位置不当,应属于保险合同责任范围约定中设计、制造或安装错误、铸造和原材料缺陷范围。被保险人同时提出,该泵安装使用时间并不长,损坏事故发生完全意外,符合保险责任关于突然的、不可预料的意外事故造成的物质损坏或灭失的要件。虽然保险公司对本案最终以赔偿了结,但是从技术分析到保险条款的约定看,确有必要对此案进行深入的研究。

  首先看气蚀的形成原理:泵运转时产生的低压使液体对气体的溶解饱和度下降,进入泵的低压区的液体因压力下降溶解气体过于饱和而溢出(瓶装碳酸饮料和啤酒等开盖产生气泡即此道理)。同样道理,液体进入高压区后气泡受到压缩和饱和浓度增加的溶解作用急剧缩小以致消失,这时气泡消失前占有的空间(空穴)由周围液体以很高的速度填充。填充空穴的液体高速运动并产生很强烈的水击作用,其冲击应力可达数百甚至数千大气压,犹如子弹甚至可以将壁厚击穿,频率可达几万次/秒。这种由于高冲击应力和高频率的水流冲击长期作用,在产生很大的噪声同时,会使泵零件表面材料从发生裂纹到点状剥落,称为气蚀。气蚀是液体冲击的作用所致结构材料疲劳损坏的一种形式,称冲击疲劳。气蚀现象发生的条件与泵的吸程、液体密度、温度、结构和泵的过流(叶轮等)材料有关。其他条件确定后,泵的吸程设计就是避免气蚀形成条件的重要因素,对泵吸程的设计要求为:吸程=标准大气压-汽蚀余量-安全量,其中汽蚀余量指泵入口处液体所具有的总水头与液体汽化时的压力头之差。

  通过对气蚀形成的原理和发生条件的了解,首先可以确定保险人对本案事故损失发生的原因,即气蚀的技术分析是毋庸置疑的,而另一方面,被保险人提出的安装位置错误的问题确实存在,因为在对该泵的安装上,对吸程设计的考虑不足。尽管设计缺陷是本案事故原因,但对于保险责任是有探讨的必要的。前面关于减速器齿轮点蚀损坏的案例已经述及,将点蚀解释为保单中约定的孔蚀是牵强的,同样,把气蚀解释为或等同于孔蚀从目前看也依据不足。这使我们很困惑:在机损险保单除外责任中所规定的孔蚀到底是什么概念呢?实际上,在原英文保单中对除外责任中机器设备运行必然引起的后果,如自然磨损、氧化、腐蚀、锈蚀、孔蚀、锅垢等物理性变化或化学反应的约定是这样表述的:Physical or chemical reaction such as wear and tear, cavitation, erosion, corrosion, rust or boiler scale as a direct consequence of ordinary use or operation。英文中的cavitation实际指的就是气蚀,对于点蚀或者化学腐蚀的点状坑、斑,英文中一般用pitting表示,这点和国内的一些专业表述相似。由此可以看到,如果按照英文条款理解,气蚀不属于保险责任范围。国内现有的机损险保单条款中孔蚀的概念,翻译初衷可能是希望包括点蚀、气蚀甚至其它点孔状的蚀损,但一旦保险双方对这些表述存在不同理解,以目前的中文条款是容易产生不同意见的。

(四)

  案例四:压光辊疲劳损坏案

  案情:

  2006年,某地一家造纸厂向保险公司报案,该厂一台抄宽8m造纸机压光辊在使用中表面材料剥落,损坏面积约130cm2,深度约10mm。同时,被保险人报告事故原因为不明物体(如纸屑)挤压,要求保险人在机损险项下赔偿。

  查勘所见,造纸机压光辊的工作面上,一片面积大约150cm2材料脱落,脱落材料凹坑中心最深处15mm,向外逐渐变浅;同时有裂纹发生并在静态情况下继续扩展。与该辊相对工作的另一压光辊也在相应位置发生损坏(如下图所示)。根据了解和被保险人介绍,压光辊系进口,应用时间不长,仅做过少量磨修。辊身工作面是一种被称为Dura stone的树脂材料,根据损坏情况需要运到国外重新包树脂。

  技术和保险责任分析:

  这个案件的最终处理有一些非技术因素,本文不做讨论,只在技术和保险责任上作简单分析。

  对于设备的材料损坏原因分析,对断口或缺陷表面的观察是最重要的。看到受损压光辊后,首先还是对材料剥离表面情况观察与分析。在该辊损伤部位的深处可注意到,受损部位底部很光滑,有烧灼样的棕褐色,再向外为环状凸凹变形,褐黄色消失,最外圈为径向放射状凸凹变形。根据对断口的初步印象,感觉是疲劳导致的损坏。由于本案标的是非金属材料,它的断裂或者脱落后的表面特征与一般钢材料区别很大,为稳妥起见,本案请一位高分子材料破坏分析方面的专家给予指导,专家同样认为断口呈现疲劳损坏表现。与前面所介绍的疲劳损坏不同的是,本案材料破坏发生的疲劳源不是在表面,是从凹坑底部开始的。就本案辊分析,辊表面的树脂材料在制造过程中,如果在内部有气泡或者在材料不均匀缺陷,特别是气泡比较浅的情况下,当表面压应力传到气泡位置,在气泡附近会形成应力集中,长期脉动应力作用后疲劳源发生。也就是说,实际上本案事故损失是材料的气泡或其他缺陷造成的,从前面引用的保单条款可以认为属于保险责任。这里需要提请注意的是,在对技术和保险责任的分析中,应当注意到本案属质量责任,进而应了解制造商是否应当承担责任。从本案看,压光辊从开始使用到事故发生时间较短,远远达不到制造商对质量的承诺,研究被保险人与制造商之间的合同或质量承诺,可以更好地保护帮助保险合同双方的利益。

  结束语

  疲劳失效是否是机器损坏险保险责任的分析比较复杂,需要在技术分析的基础上,结合保单分析保险责任。一方面不能仅以材料选择、强度、表面质量以及结构等是发生疲劳失效的原因,即认为疲劳损坏属于保险责任;另一方面不能因为疲劳损坏是交变应力长期作用的结果,并且是经过裂纹发生、发展到最终完全断裂的渐进过程,由此认为事故发生并不突然,甚至可以预料,而不属于保险责任。对除外责任的判定也是同样,需要根据技术分析明确事故原因再根据保单条款约定判断。根据目前经验,除外责任需要研究的问题在于疲劳损坏的某一个案件是否属于被保险人及其代表已经知道或应该知道本保险开始前已经存在的缺点或缺陷,是否是机器设备运行必然引起的后果,以及是否符合突然的、不可预料的意外事故造成的物质损坏或灭失等要件。根据笔者经验,提出下面的观点供思考。

  1.虽然疲劳失效是机械失效的一种形式,但即使是对于有经验的使用者,不经过拆检(甚至无损探伤),无法发现疲劳裂纹的早期发生造成事故损失,被保险人一般难以预料。但是如果证明如下条件,或可以认为被保险人对疲劳损坏后果应当知道

  a.被保险人使用多台各种条件完全相同的设备,且对相同构件疲劳失效已经积累一定经验;

  b.同一机械多次发生相同的疲劳事故;

  c.维修或其他检查已经发现疲劳裂纹或其他疲劳破坏,并且最终断裂事故是由此发生。

  2.即使是使用已久的设备,因自身的质量和使用条件等不同,不能认为必然发生疲劳失效,所以一般条件下疲劳失效不是机器设备运行必然引起的结果。如果有充分证据证明下列条件,或可以认定疲劳失效是某台设备运行必然引起的结果:

  a.同等设备、同等使用条件的设备某一零件疲劳失效事故达到一定的比例;

  b.易损易耗件。

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