凈化裝置高速泵葉輪失效原因分析

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(1.中國石油天然氣股份有限公司錦西石化分公司，遼寧 葫蘆島 125001;2.沈陽中科韋爾腐蝕控制技術有限公司，遼寧 沈陽 110000)

凈化裝置高速泵葉輪失效原因分析

荊軍航1,張艷1,郭歷偉1,呼立紅2

(1.中國石油天然氣股份有限公司錦西石化分公司，遼寧 葫蘆島 125001;2.沈陽中科韋爾腐蝕控制技術有限公司，遼寧 沈陽 110000)

針對鑄態304不銹鋼材質葉輪服役期不超過6個月即發生斷裂失效現象，采用葉輪化學成分分析、宏觀分析或低倍顯微鏡觀察、金相分析及斷口電鏡分析等手段進行失效分析。結果表明：葉輪斷裂失效的主要原因是泵內介質(主要是H2S)產生沖刷腐蝕，導致局部壁厚減薄形成應力集中；由于交變應力的作用，應力集中處產生疲勞裂紋，逐漸擴展，直至疲勞斷裂。

高速泵H2S沖刷腐蝕腐蝕疲勞

1 裝置運行條件及腐蝕情況

320 kt/a凈化裝置采用單塔加壓汽提、側線抽氨的方法處理含H2S和氨的污水，對延遲焦化、加氫和催化裂化裝置來的含H2S和氨的污水進行汽提，產生H2S和氨，最后剩余凈化水。凈化水質量滿足要求后送入污水處理場繼續處理。高速泵P04/A是裝置的重要設備之一，為單級臥式懸臂泵，型號ZHYⅢ25-315，功率30 kW，額定電流57 A。工作介質是液氨、氣氨和H2S的混合物；工作溫度-5 ℃(由于該泵葉輪轉速高，工作溫度會升高)，用于氨精制塔內液氨循環，降低塔內溫度。

2016年8月10日，高速泵P04/A因超電流停止運行，停機時電流為61 A,服役時間不到半年。泵葉輪材質為鑄態304不銹鋼，泵內介質是液氨和氣氨等混合物，啟動后攪動液氨發熱汽化，容易抽空，易發生氣蝕。如果泵抽空時，振動幅度偏大，需要氨精制塔提高壓力，保持塔內液面，精心調節出口閥開度，才能順利開啟，出口壓力頻繁波動。該泵自投用以來，因工作條件較為苛刻，易發生氣蝕及H2S腐蝕，故障率較高。

該泵檢修過程中發現泵殼、葉輪表面沖刷嚴重，可見明顯沖刷跡象(見圖1和圖2)，葉輪表面可見三處明顯裂紋，其中最長約8 cm，殼體多處可見大小不一裂紋(見圖3)，殼體內表面、葉輪表面顏色不均，異常閃亮的白色斑點布滿整個葉輪表面和殼體內表面(見圖4)。

圖1 葉輪前蓋板沖刷腐蝕形貌

圖2 泵殼內壁宏觀形貌

圖3 葉輪表面裂紋

圖4 殼體內表面大量白色斑點

2 葉輪失效分析

2.1化學成分分析

在葉輪上取塊狀試樣，依據GB/T 23942—2009《化學試劑 電感耦合等離子體原子發射光譜法通則》,使用光譜儀對其材質進行成分分析,分析結果見表1。結果表明葉輪材質為304不銹鋼。

表1 葉輪化學成分 w，%

2.2宏觀分析及低倍顯微鏡觀察

高速泵P04/A由前、后蓋板和三個流道(葉片)構成，為閉式葉輪。葉輪前蓋板完好，未見有裂紋存在；前蓋板表面呈現出金屬光澤，可以清晰地看到鑄態葉輪結晶取向(見圖5)。

圖5 葉輪前蓋板宏觀形貌

葉輪后蓋板發生了嚴重破損，其主要失效形式為開裂和蝕坑，也呈現金屬光澤，清晰地看到鑄態葉輪結晶取向(見圖6)。

圖6 葉輪后蓋板宏觀形貌及破損狀態

在葉輪流道出口端有多條裂紋產生，裂紋走向主要是向葉輪后蓋板的外壁延伸擴展，葉輪流道出口部位宏觀形貌及破損狀態見圖7。

圖7 葉輪流道出口部位腐蝕形貌

將葉輪后蓋板上的開裂部位切割下來得到斷口，觀察葉輪后蓋板開裂狀況及其斷口形貌見圖8。從圖8可以看出,在葉輪后蓋板斷口(裂紋)處沒有明顯塑性變形，在斷口緊鄰部位葉輪后蓋板內、外壁上，還有眾多與斷口(裂紋)基本平行的裂紋存在。斷口實際是眾多裂紋中擴展最深最快的一條或匯合在一起的多條裂紋。這些裂紋集中起源于葉輪后蓋板內、外壁與流道之間呈直角的連接部位，該部位因葉輪后蓋板內壁嚴重減薄，直接導致葉輪后蓋板嚴重減薄和強度降低。

圖8 后蓋板外壁裂紋宏觀形貌

葉輪只有三個流道，流體進入葉輪到離開，幾乎旋轉了360°，流體在流道中的高速流動，勢必對葉輪流道產生強烈沖擊。同時，工作介質對葉輪金屬產生腐蝕，使得葉輪表面呈現金屬光澤、產生孔洞及粗糙表面，并造成葉輪后蓋板局部嚴重減薄，直至疲勞開裂。

2.3金相分析

在葉輪上截取金相試樣，經預磨、拋光和腐刻后，在顯微鏡下觀察分析。葉輪后蓋板金相組織為鑄態奧氏體加少量鐵素體，其內、外壁上有很多與斷口平行的裂紋，這些裂紋前端較為圓鈍，具備疲勞斷裂的特征(見圖9)。

2.4掃描電鏡(SEM)與能譜分析(EDX)

選取葉輪斷口上有明顯疲勞特征部分，使用掃描電鏡，對葉輪斷口進行分析。

在葉輪斷口的源區、擴展區和最后斷裂區，因泵內介質的腐蝕作用，其疲勞斷裂的一些精細結構已經觀察不到，但在放大倍率較低時，仍可看到疲勞斷裂的痕跡，對圖10方框區進行EDX，結果見表1。

圖9 斷口處截面金相組織及裂紋形貌

圖10 斷口裂紋源區SEM形貌

表1 EDX結果

3 分析與討論

葉輪材質為鑄態304不銹鋼，在液氨、氣氨和H2S構成的混合物介質中，其表面的鈍化膜很快被破壞掉[1]，導致其耐蝕性下降，被不斷地腐蝕減薄，從葉輪表面呈現金屬結晶顆粒及粗糙程度可以得到證實。

葉輪高速旋轉，泵內流體介質會對葉輪，尤其是葉輪流道產生強烈沖刷。當葉輪表面的鈍化膜被介質腐蝕破壞后，流體沖刷會更加顯著。沖刷腐蝕會導致葉輪上局部區域壁厚減薄，在流道與后蓋板內壁的交角處附近，葉輪后蓋板嚴重減薄，壁厚嚴重減薄又會引起該處強度降低。

葉輪高速旋轉會產生離心力和振動，有抽空現象發生時，葉輪振動會更大，如果振動頻率與葉輪自身固有頻率重合，就會引起共振，對葉輪造成疲勞破壞。疲勞破壞首先會發生在葉輪最薄弱和應力集中處，因此，在葉輪后蓋板壁厚減薄處和流道出口與后蓋板交角處[2-3]最先產生疲勞裂紋而開裂，并由此向葉輪的其他部位延伸擴展，直至造成疲勞開裂。

流體介質汽化也造成了葉輪部分區域的空蝕，導致葉輪強度降低和局部應力集中，加速葉輪失效。

葉輪自身結構特征，即三個流道對葉輪運行時產生振動也有一定影響，需要加以考慮[4]。

綜上所述，介質沖刷腐蝕和腐蝕疲勞是導致葉輪開裂失效的主要原因。

4 結論與建議

(1)葉輪材質為304不銹鋼，葉輪金相組織為鑄態奧氏體+少量鐵素體。

(2)葉輪工作時泵內介質(主要是H2S)對葉輪流道與后蓋板內壁交角處附近的沖刷腐蝕，導致該部位葉輪后蓋板壁厚嚴重減薄、強度降低、應力集中；同時，在葉輪工作時，因振動產生交變應力作用，在葉輪這些強度低及應力集中處產生疲勞裂紋，然后逐漸擴展，直至造成葉輪疲勞斷裂。

(3)葉輪材質為304不銹鋼，已經滿足不了高速泵在目前環境介質中的使用要求，需要對泵體及葉輪材料進行升級。可以考慮選用抗H2S腐蝕性能更好的雙相不銹鋼。

(4)葉輪工作時產生振動(交變載荷)，與葉輪轉速、流體介質狀況以及葉輪本身的結構等因素有關。應從安裝角度、泵的設計和工藝操作等方面嚴格控制以減少振動發生，從而抑制疲勞現象發生。

[1] 劉烈煒，胡倩，郭諷，等．硫化氫對不銹鋼在酸性體系中腐蝕行為的影響的研究[J].腐蝕與防護，2002，23(1)：10．

[2] 鄭軍，楊昌明，朱利，等.離心泵葉輪流固耦合分析[J].流體機械，2013，41(2)：25 ．

[3] 唐立新，賴喜德，周建強，等.某葉片式離心泵的葉輪部件結構靜力學分析[J].西華大學學報(自然科學版)，2008，27(3)：11．

[4] 馮永利.三流道葉輪引起離心泵振動的故障分析[J].化學工程與裝備，2011(4)：95．

(編輯 寇岱清)

FailureAnalysisofHighSpeedPumpImpellerinPurificationDevice

JingJunhang1,ZhangYan1,GuoLiwei1,HuLihong2
(1.CNPCJinxiPetrochemicalCompany,Huludao125001,China;2.ShenyangZKwellCorrosionControlTechnologyCo.,Ltd.,Shenyang110000,China)

In order to investigate the problem that early failure of cast-304 stainless steel impeller occurred within 6 months, methods were utilized of impeller chemical composition analysis, macroscopic analysis, low power microscope observation, metallographic analysis, fracture analysis and electron microscope analysis of corrosion pit. The results showed that erosion caused by the medium in pump (mainly hydrogen sulfide), which could result in stress concentration, was the main reason for the fracture failure; at the same time, due to the action of alternating stress, fatigue cracks occurred at the position of stress concentration and then gradually expanded until fatigue fracture at early stage appeared.

high speed pump, hydrogen sulfide, erosion, corrosion fatigue

2017-02-16；修改稿收到日期：2017-06-15。

荊軍航(1967—)，博士，教授級高級工程師，1995年畢業于大連理工大學，現在該公司研究院從事管理工作。E-mail:zyzyzy163@163.com