貧胺液泵泵軸切斷原因分析及解決措施

杜俊杰，霍朝陽(yáng)

(天津石化公司工程質(zhì)量監(jiān)督站，天津 300270)

某煉化企業(yè)貧胺液泵2010年1月投入使用，2011年8月底即發(fā)生泵軸切斷事故，運(yùn)行周期僅14個(gè)月。

為了防止同類事故再次發(fā)生，對(duì)該貧胺液泵軸斷裂原因進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)預(yù)防措施，并取得了階段性成果。

一、基本情況介紹

貧胺液泵為雙吸單級(jí)離心泵，軸設(shè)計(jì)功率為1 201kW，泵軸材質(zhì)為0Cr17Ni4Cu4Nb(17-4PH)，運(yùn)行介質(zhì)為貧胺液，運(yùn)行溫度為50℃。

如圖1所示，斷裂處在葉輪后端并靠近葉輪的軸肩處，軸斷處外徑：φ100mm。斷口整體表面比較光滑，粗糙的瞬時(shí)斷裂區(qū)面積相對(duì)較小，斷口沒(méi)有明顯的塑性變形。

二、泵軸斷裂原因分析

1.材質(zhì)檢測(cè)與分析

(1)化學(xué)成分檢測(cè)

從斷軸上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果表明，所有元素的含量均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，化學(xué)成分正常。

(2)金相檢測(cè)

17-4PH(0Cr17Ni4Cu4Nb)鋼鍛造加工而成，并經(jīng)固溶+時(shí)效處理。在斷口截取金相試樣，光學(xué)顯微鏡下觀察，其顯微組織為板條馬氏體+殘留奧氏體+δ鐵素體，組織均勻細(xì)密。δ鐵素體為細(xì)條狀并呈帶狀分布，殘留奧氏體呈帶狀分布，其含量較多。殘余奧氏體存在會(huì)降低17-4PH鋼的強(qiáng)度，而δ-鐵素體沿變形流線方向分布將傷害鋼的橫向性能，尤其是塑性和韌性，還會(huì)成為熱變形時(shí)的開(kāi)裂源，特別是較大尺寸的材料。

(3)常規(guī)力學(xué)性能測(cè)試

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T228-2002金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》制備17-4PH鋼的拉伸試樣。

在近斷口處取直徑為10的比例拉伸試樣(圖2)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由表可知，泵軸材料塑性較高而強(qiáng)度偏低。據(jù)報(bào)道17-4PH鋼經(jīng)兩次時(shí)效，其RP0.2為1290MPa，Rm為1400MPa，一次時(shí)效其屈服強(qiáng)度應(yīng)＞1000MPa。

表1 17-4PH不銹鋼拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù) (20℃)

(4)物相分析

泵軸材料的X衍射曲線見(jiàn)圖3，以馬氏體為主相，還有部分在熱處理過(guò)程中未溶解的Cu相。

2.斷口檢測(cè)與分析

(1)宏觀斷口檢測(cè)分析

宏觀斷口無(wú)明顯的塑性變形，屬脆性斷裂，斷口明顯呈現(xiàn)具有不同形貌特征的三個(gè)區(qū)域。

裂紋源：裂紋源處于卡環(huán)槽底部尖角的應(yīng)力集中處，斷口光滑，兩側(cè)有明顯的裂紋擴(kuò)展臺(tái)階，裂紋源處未發(fā)現(xiàn)材料缺陷。

裂紋擴(kuò)展區(qū)：該區(qū)域占據(jù)斷口的大部分區(qū)域，斷口平滑，未見(jiàn)明顯的貝紋線，說(shuō)明載荷穩(wěn)定。

瞬時(shí)斷裂區(qū)：瞬時(shí)斷裂區(qū)域包含放射區(qū)和剪切唇兩個(gè)部分，斷口粗糙不平，剪切唇與斷面成45°夾角。瞬時(shí)斷裂區(qū)的面積不大。

從宏觀斷口初步判斷為疲勞斷裂。

(2)微觀斷口檢測(cè)分析

將斷口分成幾個(gè)區(qū)，分別在掃描電子顯微鏡下觀察，斷口的微觀形態(tài)如下。

裂紋源和疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)都可見(jiàn)到疲勞輝紋，疲勞輝紋周圍存在許多二次裂紋，表明疲勞裂紋在擴(kuò)展同時(shí)還伴隨脆性斷裂。

最后破壞區(qū)斷口的微觀形態(tài)主要為韌窩斷口形貌，韌窩大小不一。

圖4為斷口EDS能譜分析，含有O元素，表明斷口表面出現(xiàn)一定程度氧化。

從斷口的宏、微觀分析，可確定其為疲勞斷口。

3.泵軸結(jié)構(gòu)分析

貧胺液泵泵軸結(jié)構(gòu)局部如圖5所示，結(jié)構(gòu)不合理。

(1)葉輪兩端均用卡環(huán)緊固，須在軸上加工卡環(huán)槽，削弱了泵軸強(qiáng)度。

(2)卡環(huán)槽底部為非圓弧過(guò)渡，將形成應(yīng)力集中，泵軸以卡環(huán)槽根部為裂紋源，在交變載荷的作用下，裂紋不斷擴(kuò)展，產(chǎn)生多源早期疲勞斷裂。因此葉輪兩端的卡環(huán)槽是整個(gè)泵軸最薄弱部位。因泵軸驅(qū)動(dòng)端較非驅(qū)動(dòng)端須傳遞更大扭矩，所以驅(qū)動(dòng)端在卡環(huán)槽處首先斷裂。

4.工藝運(yùn)行情況分析

建議確認(rèn)貧胺液泵的實(shí)際使用流量和揚(yáng)程，校核軸的強(qiáng)度是否超出設(shè)計(jì)負(fù)荷。但從宏觀端口看，瞬時(shí)斷裂區(qū)的面積不大，放射區(qū)域不明顯，說(shuō)明載荷不大，且比較穩(wěn)定。

從斷面形態(tài)及物相分析看，斷口未發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物，可排除腐蝕疲勞破壞。

三、泵軸斷裂分析結(jié)論與解決對(duì)策與措施

1.結(jié)論

(1)貧胺液泵泵軸的材料為17-4PH(0Cr17Ni4Cu4Nb)鋼，其化學(xué)成分正常。

(2)金相組織檢測(cè)發(fā)現(xiàn)殘余奧氏體偏多，造成軸的強(qiáng)度偏低。

(3)泵軸設(shè)計(jì)不合理，卡環(huán)槽為尖角，應(yīng)力集中嚴(yán)重，成為裂紋萌生源。

(4)泵軸為疲勞斷裂。

2.解決對(duì)策與措施

(1)改進(jìn)泵軸局部結(jié)構(gòu)。

原泵軸葉輪兩側(cè)均采用卡環(huán)定位，由于卡環(huán)槽為尖角過(guò)渡，存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，造成該軸過(guò)早疲勞破壞。建議將卡環(huán)槽改為R2的圓角過(guò)渡，或?qū)Ⅱ?qū)動(dòng)端改為軸肩定位，均采用圓角過(guò)渡，如圖6所示。

(2)改進(jìn)熱處理工藝。

泵軸的強(qiáng)度偏低，從組織分析看，材料的殘余奧氏體偏多，降低了材料的綜合性能，這也是引起給泵軸早期疲勞斷裂的重要原因。因此需要嚴(yán)格規(guī)范熱處理工藝。

17-4PH不銹鋼的熱處理通常由固溶處理和時(shí)效處理組成。固溶溫度既不能過(guò)高，也不能過(guò)低。過(guò)高則引起δ-鐵素體含量增多，Ms點(diǎn)降低，使之固溶冷至室溫后殘留奧氏體量增多，從而使強(qiáng)度下降；過(guò)低則組織難以均勻化。通常以1 020～1 060℃為宜。時(shí)效溫度可以在較寬的范圍內(nèi)變動(dòng)，以滿足不同的使用要求。450～500℃時(shí)效鋼的強(qiáng)度達(dá)到最高值，但韌性、塑性以及耐蝕性能降到最低值，在550℃左右時(shí)效能獲得最佳的強(qiáng)度和韌性配合。

(3)若運(yùn)行工況發(fā)生變化，需重新計(jì)算該泵軸的受力大小，以便合理地選擇17-4PH鋼的熱處理工藝，從而發(fā)揮材料的最大潛力。

該泵軸廠家根據(jù)以上分析和解決措施要求，對(duì)生產(chǎn)制造工藝進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，重新制造加工、安裝后至今設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)子運(yùn)行狀態(tài)良好。

[1]石柯德.材料科學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)版社,2003.