往復泵曲軸斷裂失效分析*

武科，王大成

(廣東石油化工學院 機電工程學院，廣東 茂名 525000)

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往復泵曲軸斷裂失效分析*

武科，王大成

(廣東石油化工學院 機電工程學院，廣東 茂名 525000)

應用理化檢驗對某往復泵曲軸斷裂事故進行了宏觀檢查、材質化學成分分析、硬度測試、金相組織分析、斷口形貌分析等檢測。結果表明，曲軸斷裂為多源疲勞斷裂。主要原因是由于曲軸材質金相組織不均勻，不同部位硬度差異較大，內部夾雜物較多，曲軸的化學元素存在偏析，碳質量分數偏高，加之曲軸表面鍍層厚度不均勻，鍍層和基體的結合不好，在結合處產生應力集中等引起的疲勞斷裂。據此，提出了相應的改進措施。

往復泵；曲軸；疲勞斷裂；失效分析

往復泵在石油化工行業應用廣泛，是一種高效節能的流體輸送設備[1]。曲軸是往復泵的關鍵部件，其幾何形狀復雜，工作中承受著強烈的交變載荷，應力集中現象嚴重，極易發生疲勞破壞[2-3]。某煉油化工企業往復泵(型號為5DS1-27/19.2)從2012開始使用，在非停車時間一直運行至泵軸斷裂。

本文針對某煉油化工企業往復泵曲軸發生的斷裂事故，運用理化檢查的方法對曲軸的材料，宏、微觀斷口形貌以及金相組織分析，探尋往復泵曲軸斷裂的真正原因，據此提出改進措施。

1　往復泵的基本情況

往復泵曲軸設計選材為42CrMo，出廠前做過調質處理，曲軸表面經電鍍處理以提高表面硬度和耐磨性。由于該泵在運行過程中經常啟停，致使泵軸長時間承受交變載荷作用。本次斷裂部位位于曲軸三分之一處。該泵的主要參數包括：額定流量26 t/h，出口壓力19.2 MPa；曲軸轉速272 r/min,軸功率200 kW。

2　泵曲軸的斷口檢驗分析

2.1宏觀檢查

斷裂的曲軸宏觀形貌如圖1所示，曲軸斷口宏觀形貌如圖2所示。

圖1　斷裂曲軸的宏觀形貌　圖2　曲軸斷口的宏觀形貌

曲軸斷面從中間呈現高低兩大塊，殘留較大尺寸的凹坑，整體表面已經油污發黑。從紋路走向及貝紋線發散方面分析判斷，往復泵曲軸呈多源疲勞斷裂(圖中箭頭所指為斷裂源)，主要起源區為邊緣①區，擴展區在②區，最后斷裂區在③區[4-5]。

2.2化學成分分析

依據GB/T 17359—2012標準，在斷裂曲軸部分取樣，采用直讀光譜儀進行化學成分分析。由表1可知該曲軸的化學成分碳質量分數偏高，其他成分基本符合GB/T 3077—1999標準中對42CrMo鋼的技術要求。對鍍層與基體結合區以及鍍層區進行成分分析,該區域的碳質量分數偏高,已達到0.77%。以上分析可說明該曲軸的化學元素存在偏析,并且碳質量分數偏高,導致材質塑性和沖擊性能降低,變硬變脆,缺口敏感性也相應增強,容易產生裂紋源[6]。

2.3 硬度檢測

對鍍層區域的可說明數偏高缺口敏2.3 硬 表1 曲軸化學成分的質量分數 %元素GB/T3077—1999分析結果C0.38～0.450.49Si0.17～0.370.31Mn0.50～0.800.55Cr0.90～1.200.93Mo0.15～0.250.16

依據GB/T 4340.1—2009金屬維氏硬度試驗方法，采用HMV-2T顯微硬度計對送檢樣往復泵曲軸斷裂鋼樣①區、②區、③區以及鍍層區經加載載荷2 N，保載時間10 s進行硬度測試，結果見表2。從硬度測試結果可以看出,曲軸整體硬度差異較大,變化范圍在17～26HRC,在裂紋起源區和擴展區的硬度值比42CrMo標準硬度20HRC高,脆性及缺口敏感性較高,易引起曲軸斷裂。另外,鍍層區的硬度差異也較大。

測試范圍度值敏感度差表2 硬度測試結果測點1235均值HV0.2換算HRC①區23624726026525224.2②區27530025525927226.0③區21924022823422917.6鍍層61960962762062056.3

圖3曲軸斷裂鋼樣拋光態照片(100×)

2.4金相檢測

依據JY/T 012—1996，采用DMI3000M徠卡顯微鏡及圖像分析系統，從主要起源邊緣①區、最后斷裂邊緣③區及凹坑②區中心區域橫斷面線切割取樣金相分析，拋光態金相見圖3，內部夾雜物較多，分散分布的B類點狀氧化物類以及A類條狀硫化物類。本文泵軸使用的42CrMo屬高強度鋼，而硫化物夾雜物會降低42CrMo的韌性；另外，夾雜物易造成鋼中裂紋成核[7]。

邊緣①區取樣經研磨拋光，3%硝酸酒精侵蝕，金相組織見圖4，該區基體組織主要為珠光體、索氏體和少量鐵素體。邊緣可見白亮層鍍層組織見圖5，白亮層鍍層厚度約330 μm。

圖4　邊緣①區金相組織(100×)　　　圖5　邊緣①區白亮層金相組織(500×)

中心區域②區經研磨拋光，3%硝酸酒精侵蝕，金相組織見圖6、圖7，該區基體組織稍呈帶狀分布，局部組織為索氏體，局部組織為珠光體或黑色大塊狀珠光體，組織呈不均勻現象。

邊緣③區經研磨拋光，3%硝酸酒精侵蝕，金相組織見圖8、圖9，該區基體組織主要為珠光體和鐵素體，鐵素體稍呈網狀，邊緣可見白亮層鍍層組織，見圖10，白亮層鍍層厚度約730 μm。

通過對白亮層鍍層組織觀察，白亮層鍍層與基體之間有一結合層，鍍層和結合層分布黑色針葉狀發細裂紋(發紋)，同時還可見較粗的微裂紋。在泵軸運行過程中，受到交變載荷的作用，在拉應力的作用下，鍍層的微裂紋進一步擴展，成為泵軸斷裂的誘因。

圖6　中心②區金相組織(100×)　　　圖7　中心②區金相組織(500×)

圖8　邊緣③區金相組織(100×)　　　圖9　邊緣③區金相組織(500×)

2.5斷口微觀形貌分析

對往復泵曲軸斷裂鋼樣取樣、拋光、制樣后，經 EPMA-1600電子探針及其能譜儀分析斷口的微觀形貌。從圖11清晰地看到疲勞輝紋，為典型的疲勞斷裂斷口形貌特征，由此可以判斷曲軸發生疲勞斷裂。

圖10　邊緣③區白亮層金相組織(500×)　　　圖11　曲軸斷口微觀形貌

3　結論

(1)泵軸材料是42CrMo，經分析材質金相組織不均勻，不同部位硬度差異較大，內部夾雜物較多，導致材料韌性降低；曲軸的化學元素存在偏析，碳質量分數偏高，導致材質變硬變脆，缺口敏感性也相應增強，容易產生裂紋源。

(2)分析斷口的微觀形貌，可以看到疲勞輝紋，為典型的疲勞斷裂斷口形貌特征，由此可以判斷曲軸發生疲勞斷裂。

(3)曲軸表面鍍層厚度不均勻，說明在對曲軸進行電鍍處理時，電鍍時間不足，不完善，鍍層和基體的結合不好，在結合處產生應力集中，鍍層和結合層中有發紋和微裂紋存在，易引起泵曲軸斷裂。

4　改進措施

(1)對于泵曲軸材料為42CrMo，建議改善材質的組織結構，在選材和熱處理過程中要盡量使材質組織均勻，減少內部夾雜物，材質成分要符合標準要求，這樣可以提高其力學性能和耐腐蝕性能。

(2)控制好曲軸表面電鍍時間，確保電鍍效果，使鍍層均勻致密，消除發紋和微裂紋；電鍍過程要保證鍍層與基體結合良好，避免結合部位出現應力集中。

[1] 葉曉琰,蔣小平,許建強,等.往復泵曲軸疲勞可靠性分析[J].機械工程,2008,44(10):272-276.

[2] 徐中明,牟笑靜,彭旭陽.基于有限元法的發動機曲軸靜強度分析[J].重慶大學學報,2008,31(9):977-981.

[3] 《往復泵設計》編寫組.往復泵設計[M].北京: 機械工業出版社,1987.

[4] 胡世炎.破斷故障金相分析[M].北京：國防工業出版社,1979.

[5] 孫智,江利,應鵬展,等.失效分析——基礎與應用[M].北京：機械工業出版社,2005.

[6] 梁耀能,梁思祖.機械工程材料[M].廣州：華南理工大學出版社,2002.

[7] 廖景娛.金屬構件失效分析[M].北京：化學工業出版社,2003.

(責任編輯：柳豐)

Analysis on Breakage of Reciprocating Pump Crankshaft

WU Ke， WANG Dacheng

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Guangdong University of Petrochemical Technology, Maoming 525000, China)

An accident of reciprocating pump crankshaft breakage is analyzed physically and chemically, and the analysis includes: macro and micro test of the fractured blade, metallurgical structure test, chemical components test and corrosion test. The results of the tests show that crankshaft breakage is featured by its fatigue fracture of mufti-source, which is caused by uneven crankshaft material and metallographic structure, big difference of hardness in different part, more inner inclusions, segregation of chemical element existing in crankshaft, high carbon content, uneven thickness of superficial crankshaft, bad combination of film and matrix, and stress concentration in juncture. Accordingly, this paper puts forward some relevant improvement measures.

Reciprocating pump; Crankshaft; Fatigue fracture; Failure analysis

2016-04-29；

2016-05-11

武科(1993—)，男，山西大同人，本科，主要從事石油化工設備工作。通信作者：王大成(1964—)，男，遼寧鐵嶺人，博士，教授，主要從事石油化工設備相關研究。

TH322

A

2095-2562(2016)04-0055-04