泵軸及葉輪失效分析

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1、蠟油離心泵泵軸及葉輪失效分析我公司煉油二套常減壓車間的蠟油離心泵為懸臂離心泵，其泵軸的設(shè)計(jì)要求材質(zhì)為35CrMo，調(diào)質(zhì)處理，硬度為HB=269～302。葉輪材質(zhì)為G25鋼，靜平衡允差為8g。泵軸端有3一M24×1.5的螺紋，用于固定葉輪。泵揚(yáng)程150m，體積流量200m/h，轉(zhuǎn)速2950r/min，3蠟油密度0.919kg/m。從1995年12月開始，該泵發(fā)生多起斷軸事故，斷裂部位都在軸端螺紋退刀槽處，斷軸時(shí)間間隔越來越小，最短只有一個(gè)月左右。同時(shí)葉輪表面多處出現(xiàn)蜂窩狀穿孔，影響了裝置的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。1分

2、析計(jì)算1.1泵軸(1)斷口宏觀分析對(duì)失效泵軸斷口部位進(jìn)行宏觀觀察，發(fā)現(xiàn)宏觀斷口表面可明顯分為3個(gè)區(qū)：疲勞裂源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)。仔細(xì)觀察軸的邊緣可看到有幾個(gè)一次疲勞裂紋臺(tái)階，說明該斷口的疲勞裂紋源有多處，這些疲勞裂紋源反映了軸端退刀槽處應(yīng)力集中比較嚴(yán)重。疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)占斷口總面積的大部分區(qū)域，最后斷裂區(qū)域很小，說明此軸肩處所受的拉應(yīng)力較小。由于此處過渡圓角半徑R非常小，會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。循環(huán)載荷作用在應(yīng)力集中最大的螺紋退刀槽部位，使泵軸發(fā)生疲勞斷裂。循環(huán)載荷系葉輪失重引起的動(dòng)不平衡產(chǎn)生

3、的軸向沖擊力。葉輪長期未更換，引起的動(dòng)不平衡愈加嚴(yán)重，泵軸斷裂時(shí)間愈來愈短。(2)金相分析在斷口附近取樣分析，發(fā)現(xiàn)該軸金相組織主要為回火屈氏體，組織中仍可以看到有許多板條狀馬氏體形態(tài)，見圖1。說明軸在進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理時(shí)，高溫回火溫度或時(shí)間不到位，沒有獲得回火索氏體組織，造成軸的缺口敏感性提高，加快了疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。圖1軸金相組織350×(3)硬度試驗(yàn)取樣進(jìn)行硬度試驗(yàn)，洛氏硬度HRC值分別為31、32、31、34，這些值比圖樣中規(guī)定的HB值偏高，進(jìn)一步表明其組織為非回火索氏體。(4)掃描電鏡(SEM)

4、分析取樣后用掃描電子顯微鏡分析了泵軸斷口的微觀形貌，可以看到在疲勞裂源區(qū)和疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)存在疲勞條紋，見圖2和圖3，說明失效是由于疲勞斷裂引起的，疲勞裂紋擴(kuò)展的微觀形貌是解理花樣。圖2疲勞裂源區(qū)附近的疲勞條紋1.2葉輪(1)宏觀觀察和分析泵的吸入口葉輪表面存在多處蜂窩狀穿孔，輪轂表面存在明顯摩擦痕跡。葉輪前后表面密布蝕坑，鑄造組織也比較疏松。從整體裝配來看，葉輪失重穿孔部位與軸端疲勞裂源點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。(2)化學(xué)成分分析各種成分的含量為：w(C)=0.162%,w(Si)=0.218%,w(Mn)=0.11

5、9%,w(P)=0.015%,w(S)=0.030%,從化學(xué)成分看，碳和錳的含量偏低。圖3疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的疲勞條紋(3)金相分析組織特征為塊狀與針狀的鐵素體＋珠光體，是典型的魏氏體組織，見圖4。晶粒粗大，平均晶粒度為3級(jí)。其中珠光體含量較低，這與含碳量低有關(guān)，且晶間有夾雜物存在。這說明葉輪鑄造質(zhì)量不良，存在大量縮松，且金相組織不均勻，偏析比較嚴(yán)重，從而導(dǎo)致了金屬表面狀態(tài)不均勻，而非金屬夾雜物的存在使金屬中形成縫隙，造成了物理上的不均勻和不完整性。由于蠟油溫度較高，酸值也較高，且含有硫等元素，使得夾雜物

6、周圍成為點(diǎn)蝕的起源點(diǎn)。從葉輪表面的點(diǎn)蝕可以推斷，局部穿孔部位是夾雜物富集的地方，錳含量的偏低可能就是這種富錳硫化物聚集造成的。同時(shí)，金相組織中的偏析，造成了晶界的弱化，從而使得點(diǎn)蝕與晶間腐蝕的結(jié)合加速了局部的腐蝕。圖4葉輪金相組織100×(4)泵凈正吸入壓頭核算由于泵的允許汽蝕余量Δh未知，在此由吸入比轉(zhuǎn)數(shù)求解：3式中，n為轉(zhuǎn)速，r/min；qV為體積流量，m/min；S為泵的吸入比轉(zhuǎn)數(shù)。對(duì)于普通設(shè)計(jì)的離心泵，不管比轉(zhuǎn)數(shù)多大，均可取1200。從而計(jì)算可得Δh=7.4m。有效凈正吸入壓頭Hg可用下式核算

7、：式中，Hg為有效的凈正吸入壓頭，m；p1為泵入口處的絕對(duì)壓力，Pa；v1為泵入2口處的平均流速，m/s；pv為輸送溫度下油的汽化壓力，Pa;g為重力加速度，m/s；3ρ為油的密度，kg/m；Hf為管路壓頭損失，m。2在計(jì)算過程中，取Hf=6m，查得蠟油在此條件下的飽和蒸汽壓為169kN/m，從而計(jì)算可得Hg=11.9m。由以上計(jì)算說明，在正常操作情況下，不可能發(fā)生汽蝕。2改進(jìn)措施①增大退刀槽過渡圓角半徑R，建議R=1.5～2mm，以改善該部位應(yīng)力集中的程度。②嚴(yán)格按照?qǐng)D樣要求執(zhí)行熱處理工藝，保證軸獲

8、得良好的綜合力學(xué)性能。③在安裝葉輪時(shí)，螺母的預(yù)緊力要適當(dāng)，不宜太大。④對(duì)葉輪進(jìn)行表面處理以提高耐蝕性能。3結(jié)語對(duì)蠟油離心泵的泵軸和葉輪按上述措施進(jìn)行改造后，于1997年5月裝置大修后安裝投用，至今已運(yùn)行1年多，運(yùn)轉(zhuǎn)良好，沒有發(fā)生斷軸事故，證明改造是成功的。作者簡介：楊火生(1962-)，男，湖北天門市人，工程師，碩士學(xué)位，現(xiàn)從事靜設(shè)備的研究、失效分析、安全評(píng)定及壓力容器檢驗(yàn)等方面工作。作者單位：鎮(zhèn)海煉化股份有限公司研究中心，浙江寧波315207參考文獻(xiàn)：