LNG接收站水泵軸承座支撐系統(tǒng)斷裂原因分析及改進措施

柳超 章妍

1中石油大連液化天然氣有限公司

2遼河油田建設(shè)有限公司

隨著LNG 行業(yè)快速發(fā)展，LNG 接收站日益增多。海水泵是LNG 接收站關(guān)鍵設(shè)備之一，其主要作用是為開架式氣化器（ORV）提供海水用于氣化。某LNG 接收站SPV-900 型海水泵為立式混流泵，運行過程中未發(fā)生異常，但檢修過程中發(fā)現(xiàn)支撐板斷裂。通過失效分析中普遍采用的金相分析、微觀檢測等手段對斷裂的支撐板進行分析，通過有限元分析結(jié)合泵運行工況對得出的失效原因進行驗證，并根據(jù)分析結(jié)果提出了改進措施。

1 海水泵結(jié)構(gòu)及斷裂測試

SPV-900型海水泵結(jié)構(gòu)為立式長軸混流泵，葉輪級數(shù)為單級，泵軸之間通過聯(lián)軸器連接。軸承座支撐板一端焊接在軸承座外壁，另一端通過焊接形式連接在筒體內(nèi)側(cè)。其支撐板、軸承座與筒體材質(zhì)均為SUS329J3L，焊接使用藥芯焊絲和二氧化碳保護焊，焊絲材料標準及牌號為AWS A5.22-1995 E2209T0-1。

該泵在累計運行1.6×104h 進行檢修時發(fā)現(xiàn)，海水泵第三節(jié)筒體的軸承座三條支撐板中的一條斷裂丟失，海水泵結(jié)構(gòu)及支撐板斷裂位置見圖1及圖2。對另外兩條支撐板的PT探傷發(fā)現(xiàn)，其與軸承座的焊縫根部也存在裂紋，對其他筒體支撐板進行PT探傷測試未發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖1 海水泵結(jié)構(gòu)（橫向）Fig.1 Sea water pump structure(horizontal to)

圖2 斷裂支撐板照片F(xiàn)ig.2 Photo of broken support plate

2 斷裂成因分析

2.1 材料性能檢驗

通過對支撐板中間段取樣，并加工成標準試樣，對其拉伸力學性能（表1）、硬度（表2）及主要化學成分進行分析（表3）。

表1 拉伸力學性能Tab.1 Tensile mechanical properties

表2 硬度檢驗結(jié)果Tab.2 Hardness test results

分析表明，支撐板材料的性能符合JISG 4304—2005標準對SUS329J3L雙相鋼的要求。

2.2 宏觀檢查

對斷裂丟失的支撐板在軸承座和筒體內(nèi)臂焊縫兩端遺留的斷口進行觀察（圖3）可以發(fā)現(xiàn)，兩端斷口的位置都是在靠近焊縫與支撐板過渡區(qū)，其斷裂性質(zhì)相同，都呈現(xiàn)出以反復彎曲為主，兼有一定扭轉(zhuǎn)的疲勞斷裂特征[1]。

表3 化學成分分析Tab.3 Chemical composition analysis 質(zhì)量分數(shù)/%

圖3 斷裂支撐板兩端的宏觀照片F(xiàn)ig.3 Macro photos of both ends of broken support plate

對斷口周邊的焊縫和母材仔細檢查發(fā)現(xiàn)存在打磨的痕跡，在打磨痕跡中可以看到一些小腐蝕坑和打磨劃傷造成的缺陷（圖4）。

圖4 支撐板斷口周邊焊縫的腐蝕坑與打磨劃傷Fig.4 Corrosion pit and grinding scratch of weld around fracture of support plate

考慮到該軸承座其他兩條支撐板破壞情況應當與第一條相同，又對3#支撐板靠近軸承座側(cè)的斷口進行了檢查，其斷口形貌與1#支撐板的斷口大致相同。

2.3 斷口的微觀檢查

為了分析支撐板破壞的微觀斷裂特征，將3#支撐板斷口在電鏡下進行了觀察（圖5）。

圖5 裂紋區(qū)腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果Fig.5 Energy spectrum analysis results of corrosion products in fracture zone

通過電鏡，發(fā)現(xiàn)斷口上雖然有多個裂紋源，但所有裂紋源的斷裂形貌與特征大致相同。與宏觀檢查所看到的現(xiàn)象一致，支撐板與焊縫根部過渡位置的打磨損傷及在打磨后腐蝕環(huán)境下產(chǎn)生的點蝕坑成為疲勞裂紋的起始位置[2]。

裂紋源區(qū)的斷裂面一般都有一定程度的研磨現(xiàn)象，結(jié)合宏觀檢測，判斷是裂紋形成后在交變載荷反復作用下細小的裂紋面移動摩擦的結(jié)果[3]。

通過對裂紋區(qū)進行能譜分析表明，裂紋區(qū)有一定的腐蝕產(chǎn)生。從分析結(jié)果中可以看出，氯元素和鈉元素在斷口的殘留是腐蝕形成的產(chǎn)物[3]。

使用電鏡對疲勞裂紋擴展區(qū)進行觀察，可以發(fā)現(xiàn)有一定的腐蝕，但是占斷口90%的裂紋擴展區(qū)的普遍形貌是解理斷裂。解理斷裂是金屬材料的一種脆性斷裂形貌，疲勞破壞的危險也在于發(fā)生脆性斷裂[4]。

2.4 材料的金相檢驗

為了檢驗支撐板材料冶煉、加工、熱處理和焊接后材料組織和缺陷狀況，對支撐板進行金相分析，檢查支撐板材料夾雜物、金相組織和焊縫連接處的材料和質(zhì)量。

2.4.1 夾雜物檢查

將試樣按照金相樣品制備程序，經(jīng)逐級砂紙拋光后在光學顯微鏡下檢查了材料的夾雜物分布。檢查結(jié)果表明，材料夾雜物很小，數(shù)量也比較少，不夠評級。

2.4.2 焊縫連接處的金相組織

將1#支撐板軸承座處焊接接頭從斷口面橫向切開，檢查焊接接頭的焊接質(zhì)量（圖6）。

從圖6中可以看出，支撐板斷裂位置基本處于過渡部位，但左右不對稱，左側(cè)部分斷面低于右側(cè)斷面。左右兩側(cè)的弧形不太對稱，判斷與側(cè)面打磨有一定關(guān)系[5]。

將連接部位進一步放大，檢查焊縫的融合情況和組織變化，發(fā)現(xiàn)整個焊縫融合較好，沒有明顯的內(nèi)部缺陷（圖7）。

圖6 焊縫與支撐板連接部位的截面放大圖Fig.6 Enlarged section drawing of the joint between weld and support plate

圖7 焊縫與支撐板連接部位局部放大圖Fig.7 Partial enlarged drawing of the joint between weld and support plate

3 失效分析

通過對支撐板端口分析，可以判定第三節(jié)筒體支撐板破壞是多裂紋源、低應力幅，以承受彎曲的交變載荷為主的疲勞破壞[6-8]。而基于泵運行工況分析，這種載荷來源可能是海水泵電動機運行時引起的振動或者海水泵在運行時支撐板附近形成了紊流，其作用施加到支撐板上產(chǎn)生的振動。但是通過對該海水泵在運行期間的振動監(jiān)測數(shù)值的讀取分析，第一種可能性較低。

根據(jù)泵體結(jié)構(gòu)判斷，產(chǎn)生紊流的可能性是存在的，因為水流在筒體內(nèi)流動遇到支撐板時會阻礙水流的穩(wěn)定流動，很容易激發(fā)旋渦，作用于支撐板上產(chǎn)生彎曲交變應力。

通常支撐板在紊流作用下產(chǎn)生的彎曲疲勞載荷，最大彎矩出現(xiàn)在固定支撐板兩端的焊接接頭上。在兩端焊接時，為了減少應力集中，焊縫根部與支撐板的過渡區(qū)都會形成較大半徑的過渡圓角，這也是焊接規(guī)范所要求的。打磨有可能是為了滿足焊接規(guī)范要求而進行的修整，但是不適當?shù)拇蚰ビ锌赡艽偈咕植繎Ω鼮榧校瑥亩纬善诹鸭y源可能發(fā)生的位置，同時打磨破壞了雙相鋼對氯離子抗點蝕的能力。因此在宏觀檢測中可以看到，打磨或劃傷嚴重的地方，腐蝕也相應嚴重。腐蝕破壞的材料表面也是疲勞裂紋最可能發(fā)生的區(qū)域[9]。

通過有限元分析（Finite Element Analysis）對軸承支撐板的固有頻率進行計算，其軸承支撐板的固有頻率為108.8 Hz（圖8、圖9）[10]。

圖8 有限元分析模型Fig.8 Finite element analysis model

圖9 軸承支撐板固有頻率Fig.9 Natural frequency of bearing support plate

而旋渦頻率是由流體經(jīng)過矩形板的后緣產(chǎn)生的，其數(shù)值可以通過公式（1）計算得出。

式中：f為旋渦頻率，Hz；Sstr為斯特勞哈爾數(shù)（Strouhal number），取0.2～0.4 （參 見Centrifugal Pumps離心泵設(shè)計應用）；w為流速，m/s；δw為軸承支撐板厚度，取0.012 m。

經(jīng)過對70%、100%、120%流量下的頻率計算，得出不同流量下旋渦頻率（表4）。

表4 不同流量下旋渦頻率Fig.4 Vortex frequency with different flow rate

將該海水泵流速和頻率的對應關(guān)系計算結(jié)果繪制成圖10。

圖10 海水泵流速和頻率的對應關(guān)系Fig.10 Corresponding relationship between the flow rate and frequency of sea water pump

如果旋渦頻率與軸承支撐板頻率相同，則軸承支撐板會由于共振產(chǎn)生疲勞破壞。雖然從表4中并未得出渦流的頻率與軸承支撐板固有頻率相同的結(jié)果[11]，但是當海水泵的流量達到額定流量的125%時，渦流所產(chǎn)生的頻率會與軸承支撐板的固有頻率產(chǎn)生共振，導致軸承支撐板斷裂。

4 改進措施

為了避免共振對支撐板造成的影響，在SPV-900 型海水泵的日常使用中，應控制流量及流速，禁止超負荷運轉(zhuǎn)，使泵在工況條件下運行[12]，同時要加強預防性維護，避免泵入口堵塞產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象對水泵造成損害。在泵的制造及檢修過程中，應嚴格控制對焊縫的打磨程度，嚴禁打磨的焊縫低于母材，嚴禁打磨時焊縫兩側(cè)出現(xiàn)不對稱的現(xiàn)象，從而避免嚴重磨痕和劃傷以及由此引起腐蝕造成的疲勞斷裂。

5 結(jié)論

SPV-900型海水泵的軸承支撐板破壞是多裂紋源、承受彎曲交變載荷為主的疲勞斷裂。焊縫與支撐板過渡區(qū)的打磨痕跡和劃傷以及此處產(chǎn)生的腐蝕坑是引起疲勞裂紋、形成多疲勞源的起始位置。而當海水泵的流量達到額定流量的125%時，渦流所產(chǎn)生的旋渦頻率會與軸承支撐板的固有頻率相同從而產(chǎn)生共振，渦流對支撐板的作用是產(chǎn)生彎曲疲勞載荷的來源，是導致軸承支撐板斷裂的主要原因。支撐板斷裂位置基本處于過渡區(qū)，左右焊道弧形不對稱，與焊接時打磨程度有關(guān)，左右焊道不對稱是導致軸承支撐板斷裂的誘因。