貧胺液泵泵軸切斷原因分析及解決措施

杜俊杰，霍朝陽

(天津石化公司工程質量監督站，天津 300270)

某煉化企業貧胺液泵2010年1月投入使用，2011年8月底即發生泵軸切斷事故，運行周期僅14個月。

為了防止同類事故再次發生，對該貧胺液泵軸斷裂原因進行了分析，提出了相應預防措施，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離心泵，軸設計功率為1 201kW，泵軸材質為0Cr17Ni4Cu4Nb(17-4PH)，運行介質為貧胺液，運行溫度為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，粗糙的瞬時斷裂區面積相對較小，斷口沒有明顯的塑性變形。

二、泵軸斷裂原因分析

1.材質檢測與分析

(1)化學成分檢測

從斷軸上取樣進行化學成分分析，結果表明，所有元素的含量均在標準范圍內，化學成分正常。

(2)金相檢測

17-4PH(0Cr17Ni4Cu4Nb)鋼鍛造加工而成，并經固溶+時效處理。在斷口截取金相試樣，光學顯微鏡下觀察，其顯微組織為板條馬氏體+殘留奧氏體+δ鐵素體，組織均勻細密。δ鐵素體為細條狀并呈帶狀分布，殘留奧氏體呈帶狀分布，其含量較多。殘余奧氏體存在會降低17-4PH鋼的強度，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，還會成為熱變形時的開裂源，特別是較大尺寸的材料。

(3)常規力學性能測試

依據國家標準《GB/T228-2002金屬材料室溫拉伸試驗方法》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)，實驗結果見表1。由表可知，泵軸材料塑性較高而強度偏低。據報道17-4PH鋼經兩次時效，其RP0.2為1290MPa，Rm為1400MPa，一次時效其屈服強度應＞1000MPa。

表1 17-4PH不銹鋼拉伸試驗數據 (20℃)

(4)物相分析

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

2.斷口檢測與分析

(1)宏觀斷口檢測分析

宏觀斷口無明顯的塑性變形，屬脆性斷裂，斷口明顯呈現具有不同形貌特征的三個區域。

裂紋源：裂紋源處于卡環槽底部尖角的應力集中處，斷口光滑，兩側有明顯的裂紋擴展臺階，裂紋源處未發現材料缺陷。

裂紋擴展區：該區域占據斷口的大部分區域，斷口平滑，未見明顯的貝紋線，說明載荷穩定。

瞬時斷裂區：瞬時斷裂區域包含放射區和剪切唇兩個部分，斷口粗糙不平，剪切唇與斷面成45°夾角。瞬時斷裂區的面積不大。

從宏觀斷口初步判斷為疲勞斷裂。

(2)微觀斷口檢測分析

將斷口分成幾個區，分別在掃描電子顯微鏡下觀察，斷口的微觀形態如下。

裂紋源和疲勞裂紋擴展區都可見到疲勞輝紋，疲勞輝紋周圍存在許多二次裂紋，表明疲勞裂紋在擴展同時還伴隨脆性斷裂。

最后破壞區斷口的微觀形態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.泵軸結構分析

貧胺液泵泵軸結構局部如圖5所示，結構不合理。

(1)葉輪兩端均用卡環緊固，須在軸上加工卡環槽，削弱了泵軸強度。

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

4.工藝運行情況分析

建議確認貧胺液泵的實際使用流量和揚程，校核軸的強度是否超出設計負荷。但從宏觀端口看，瞬時斷裂區的面積不大，放射區域不明顯，說明載荷不大，且比較穩定。

從斷面形態及物相分析看，斷口未發現腐蝕產物，可排除腐蝕疲勞破壞。

三、泵軸斷裂分析結論與解決對策與措施

1.結論

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

(2)金相組織檢測發現殘余奧氏體偏多，造成軸的強度偏低。

(3)泵軸設計不合理，卡環槽為尖角，應力集中嚴重，成為裂紋萌生源。

(4)泵軸為疲勞斷裂。

2.解決對策與措施

(1)改進泵軸局部結構。

原泵軸葉輪兩側均采用卡環定位，由于卡環槽為尖角過渡，存在嚴重的應力集中，造成該軸過早疲勞破壞。建議將卡環槽改為R2的圓角過渡，或將驅動端改為軸肩定位，均采用圓角過渡，如圖6所示。

(2)改進熱處理工藝。

泵軸的強度偏低，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。因此需要嚴格規范熱處理工藝。

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

(3)若運行工況發生變化，需重新計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，從而發揮材料的最大潛力。

該泵軸廠家根據以上分析和解決措施要求，對生產制造工藝進行了適當的調整，重新制造加工、安裝后至今設備運行平穩，轉子運行狀態良好。

[1]石柯德.材料科學基礎[M].北京：機械工業版社,2003.