裂解柴油加氫裝置進料泵斷軸原因分析和預防措施

史春波,底 浩,葛玉龍,譚永剛,劉 濤

(中海油東方石化有限責任公司，海南 東方 572600)

泵作為化工生產中一種必不可少的關鍵設備，其運行的好壞直接關系到整個生產的穩定和經濟效益的提高[1]。斷軸等設備故障不僅造成設備損壞，甚至導致裝置停運等其他經濟損失及次生事故，威脅人身和設備安全。

1 裂解柴油加氫裝置進料泵的作用

裂解柴油加氫裝置進料泵(簡稱進料泵)是裂解柴油加氫的關鍵設備，其主要作用是將原料罐的柴油由反應進料泵P1101升壓至8.7 MPa后送至反應進料總管與混氫匯合，經反應進料一系列換熱器換熱后，經過加熱爐F-1101加熱至308～359 ℃后進入加氫精制反應器R-1101，在此進行硫、氮、氧、烯烴及各種雜質的脫除。

柴油加氫進料泵平穩高效運行，是裝置安全、穩定和長周期運行的重要保障。某裂解柴油加氫裝置進料泵P1101A/B/C采用3臺國產高壓泵，一開二備輪換使用。其設計及運行參數見表1，設備材質情況見表2。

表1 P1101A/B/C設計及運行參數

表2 P1101A/B/C材質情況

2 泵P1101B失效情況

2019年11月25日夜間23∶00左右已經累計運行7 890 h的P1101B出現密封泄漏問題， 23∶17后2 min內電機電流由正常13 A上升到最大34.1 A，隨后降到9.6 A，最后為0；流量由正常33.8 t/h下降到29.4 t/h，最后降到3.8 t/h。換泵后進行維修，發現盤車功能失效。拆卸檢查發現：高速軸在潤滑油密封位置附近發生斷裂，但未完全斷裂(見圖1)；同時因泵軸突然斷裂，導致轉子非同心運轉，引發次生問題，誘導輪、葉輪、軸套和軸出現損壞(見圖2至圖4)。

圖1 斷軸部分宏觀形貌

圖2 誘導輪磨損

圖3 葉輪局部磨損

圖4 軸套、軸磨損

3 失效原因分析

3.1 檢驗分析

3.1.1 斷口的宏觀及低倍觀察

泵軸斷裂處的軸徑為φ32 mm，為潤滑油密封處；泵軸斷裂為一短一長的兩個部分，分別標記為A和B，斷軸處存在明顯的磨損痕跡。由于泵軸A斷口相對保護較好，未受到嚴重的磕碰和發生二次銹蝕，故檢驗分析側重于泵軸A斷口。

裂紋源在泵軸斷口的一側表面，裂紋由泵軸表面向內擴展。裂紋擴展區的斷口平坦，沒有明顯的塑性變形，斷口上有“貝紋狀”的疲勞弧線，其大小約占整個斷口的2/3；最后斷裂區(即瞬斷區)較為粗糙，其大小約占整個斷口的1/3；僅在泵軸邊緣處有小的剪切唇。其形貌見圖5至圖8。

圖5 A斷口的宏觀形貌

圖6 A斷口裂紋源區低倍形貌

圖7 A斷口裂紋擴展區形貌

圖8 A斷口瞬斷區形貌

3.1.2 泵軸的材質分析

在斷裂的泵軸上取樣，依據相關標準[2]，使用光譜儀等儀器對其材質進行分析，結果表明：泵軸材質為20CrMnTi鋼，與出廠資料要求的泵軸材質為42CrMo鋼不符(見表3)。

表3 泵軸材質的化學成分 w,%

3.1.3 泵軸的金相分析

在泵軸A斷口附近處，橫向切取金相樣品，經預磨、拋光、腐刻后，在顯微鏡下觀察分析。使用顯微硬度計，對泵軸進行硬度測試。

整個泵軸截面的金相組織均勻，為回火馬氏體+貝氏體+少量塊狀鐵素體[3]，見圖9和圖10。經測量泵軸硬度為322.5 HV(相當于34.0HRC)，見表4。

表4 泵軸硬度測試 HV

圖9 泵軸A的金相組織

圖10 泵軸B的金相組織

3.1.4 泵軸斷口電鏡及能譜分析

使用掃描電鏡(SEM)，對泵軸A斷口進行微觀形貌觀察和能譜分析(EDS)。

1.3 統計學處理 采用SPSS20.0統計軟件進行分析。計數資料以率表示，采用χ2檢驗；計量資料符合正態分布以表示，采用獨立樣本t檢驗，不符合正態分布的分組進行非參數檢驗。以P<0.05為差異有統計學意義。

裂紋起源于泵軸表面處，向內擴展，在裂紋擴展區斷口平坦，有明顯的裂紋擴展方向。能譜分析表明，泵軸斷口沒有受到腐蝕性元素的影響，元素構成為Fe，Cr及少量的O(見圖11和圖12)。在泵軸斷口的瞬斷區，有大量的的韌窩存在(見圖13)。由此可見，泵軸斷裂原因是機械疲勞斷裂。

圖11 斷口裂紋源區的SEM和EDS

圖12 斷口裂紋擴展區的SEM

圖13 泵軸斷口瞬斷區的SEM

3.2 結構設計及運行情況

3.2.1 結構設計存在的缺陷

該泵為單級、單吸、懸臂、齒輪箱增速、油泵強迫潤滑和臥式結構的高速離心泵。主要由泵過流部件、機械密封、增速箱、潤滑系統和電機等組成。

進料泵運行是由電機帶動增速器，增速器再驅動泵軸而完成的。其整體結構見圖14。

圖14 高速泵結構

高速軸采用單齒輪懸臂軸，靠近電機側平衡盤兩邊各安裝一套徑向止推軸承，增速齒輪兩邊安裝兩套滑動軸承，誘導輪、葉輪安裝在遠離電機側軸端，懸臂設計。軸的徑向支撐點離軸受力點——葉輪及誘導輪安裝端較遠，因而當該軸受到較大的徑向力時，應力集中部位易發生斷裂[4-5]。

另一方面，低速軸通過大齒輪與高速軸小齒輪嚙合，實現由2 980 r/min到15 800 r/min的增速，驅動葉輪高速旋轉，導致高速軸扭轉力矩增大。

扭轉力與徑向力疊加導致高速軸斷軸風險加大。

運行初期兩臺泵頻繁出現葉輪及誘導輪磨損、泵軸變形的問題，頻繁更換泵軸、葉輪及誘導輪。其主要原因是設計結構缺陷，懸臂、高速及安裝葉輪部位軸的強度、剛性不足，原葉輪、誘導輪采用304鋼質量相對較大，遇到運行負荷偶爾波動，轉子偏心運轉與殼體發生摩擦碰撞，且泵軸出現彎曲變形，導致泵軸、葉輪、誘導輪等配件頻繁損壞。

3.2.2 運行工況分析

泵的操作介質參數見表5。介質為裂解柴油，操作溫度不高，無結焦、結垢傾向。含一定量的腐蝕介質硫，可能因介質腐蝕引發泵軸斷裂，但軸斷裂部位為非介質接觸部位，與介質腐蝕無關。運行期間檢測參數正常。

表5 進料泵操作參數

3.3 高速軸制造質量缺陷

一般情況下，泵高速軸斷裂部位為應力集中的變徑點或螺紋部位，而此次在非應力集中部位斷裂，與軸鍛造后加工質量存在缺陷(諸如加工過程中出現的表面環向劃痕)等因素有關。斷軸部位有環向摩擦痕跡，是出現斷軸的誘發因素。

3.4 介質徑向力的影響

泵在設計工況下運行最好，其中流體介質在蝸殼內的全部截面上沿葉輪出口分布均勻，從泵流出介質的速度均勻不變。當遇到泵開停車或偏離設計工況時，蝸殼內部壓力平衡受到破壞，不平衡的壓力作用到轉子上，導致泵軸承擔了徑向推力。在交變應力的影響下，徑向推力使泵軸產生彎曲變形，軸的彎曲變形撓度若超過葉輪密封圈等部件的設計間隙值，將會與泵殼產生接觸，同時受到泵殼產生的反作用力，造成泵軸振動，甚至有斷軸等風險[6-7]。

3.5 設備疲勞損傷

高速泵在運轉過程中，因受到外部負荷、內部應力以及磨蝕等諸多因素的影響，設備各部件相互配合尺寸、力學性能均有可能發生不同程度的變化。泵構件長期承受交變應力作用，會在遠低于材料的抗拉強度甚至低于屈服強度的情況下，發生機械的疲勞損傷，直至出現斷裂[8]。

3.6 分析與討論

前面對于失效泵軸進行了多項分析，確認泵軸的斷裂性質為疲勞斷裂。

當進料泵高速運行時，泵軸承受著很大的交變載荷。在泵軸上的局部區域，可能由于某種原因產生應力集中，當這些區域承受的應力高于泵軸材料自身的疲勞強度后，就會在泵軸表面萌生出疲勞微裂紋。一旦泵軸表面有疲勞微裂紋產生，在交變載荷的作用下，就會很快地發展成疲勞裂紋，進而不斷擴展。當疲勞裂紋擴展至一定的程度后，即泵軸剩余截面不足以承受外部載荷時，就會發生快速破斷，即瞬間斷裂，這時，整個泵軸完全斷裂失效。該泵軸斷裂部位在潤滑油密封處，表面有著明顯的摩擦痕跡，這應該是泵軸和潤滑油密封的安裝配合存在問題造成的，另一個原因是交變載荷導致徑向跳動所致。

由于泵軸斷口的最后瞬斷區面積較大，大約占整個斷口大小的1/3，這表明泵軸承受的載荷較大或者是泵軸的材料較脆。載荷大是泵軸斷裂的外部因素，而材質脆則是泵軸斷裂的內部因素。暫且拋開泵軸斷裂的外部因素，就泵軸斷裂的內部因素進行討論。泵軸材料原始設計為42CrMo鋼，但對斷裂泵軸的材質化學成分分析，確認泵軸材質為20CrMnTi鋼(與20Cr鋼相近)。42CrMo鋼作為泵軸材料使用，通常為調質態(淬火+高溫回火)，其金相組織為回火索氏體，其綜合力學性能(強度、韌性和沖擊功等)均高于淬火+低溫回火態的20CrMnTi鋼，也就是說20CrMnTi鋼的綜合力學性能不如42CrMo鋼，尤其是脆性要大于42CrMo鋼。對照參數見表6。由表6可見，泵軸材料不符合廠家質量文件要求，是造成泵軸發生斷裂的關鍵因素。

表6 20CrMnTi與42CrMo力學性能

泵設計缺陷(懸臂、高速、扭矩大)及安裝葉輪部位軸的強度、剛性不足，是安裝初期頻繁故障的根源，同時設計缺陷導致斷軸部位應力集中徑向跳動幅度大的根源。徑向跳動導致此處與配合部位出現摩擦，表面出現劃痕。

在運轉過程中，因受到外部負荷、內部應力作用以及磨蝕等諸多因素的影響，泵各部件相互配合尺寸、力學性能均有可能發生不同程度的變化，運行狀況逐漸惡化，工作性能不斷下降等因素加速了軸疲勞。

總之，在交變應力的作用下，一旦泵軸表面局部因輕微劃傷等產生缺陷，將導致出現疲勞微裂紋，最終發展為疲勞裂紋。隨著疲勞裂紋的不斷擴展，導致泵軸有效承載面積的不斷減小，當達到泵軸剩余承載面積的臨界尺寸時，泵軸就會因斷裂而失效。而且，許多類型加料泵的泵軸斷裂失效均是由疲勞斷裂引起的[9-10]。

4 結論及建議

4.1 結 論

(1)泵軸材質為20CrMnTi鋼，與廠家出廠資料要求的42CrMo材質不符。

(2)泵軸金相組織為回火馬氏體+貝氏體+少量塊狀鐵素體，泵軸硬度為322.5HV。

(3)泵軸斷裂性質為疲勞斷裂。

(4)設計缺陷(懸臂、高速、扭矩大)及安裝葉輪部位軸的強度、剛性不足，是安裝初期頻繁故障的根源，也是導致泵軸斷裂部位的局部應力集中、擺幅較大的主要原因；泵軸材質用錯，綜合力學性能下降是斷軸的重要因素；泵軸承受的交變載荷、表面有劃傷是前期微裂紋產生的原因。

4.2 建 議

(1)廠家優化結構設計，降低或消除產生應力集中的因素,對設備配件出廠應進行嚴格檢查。

(2)在對進料泵裝配過程中，注意各個部件之間的配合，防止局部產生較大的磨損，以免造成泵軸局部區域的應力集中。

(3)對于泵軸材料的選擇和熱處理，要符合泵軸的實際工況，保證泵軸材料具有良好的綜合力學性能。