王勇

（中國石油獨山子石化分公司研究院，新疆 獨山子 833699）

焦炭塔水馬達(dá)快速接頭斷裂原因分析

王勇

（中國石油獨山子石化分公司研究院，新疆 獨山子 833699）

從斷口宏觀特征、力學(xué)性能、化學(xué)成分以及金相組織等方面對焦炭塔水馬達(dá)快速接頭斷裂原因進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，鑄造質(zhì)量差、調(diào)質(zhì)處理不徹底、內(nèi)部存在氣孔和裂紋，造成機(jī)械性能不足，是引起快速接頭斷裂的主要原因。

焦炭塔；快速接頭；斷裂；鑄造質(zhì)量

1 概述

2010年11月，某公司延遲焦化裝置焦炭塔塔頂除焦崗位操作工巡檢時聽見一聲巨響，伴隨焦炭塔塔架劇烈震動，之后發(fā)現(xiàn)焦炭塔鉆桿與水馬達(dá)之間快速接頭已經(jīng)斷裂，水馬達(dá)及水切焦噴嘴組件掉進(jìn)焦炭塔內(nèi)。焦化裝置操作室儀表顯示高壓水泵流量突然增大。延遲焦化裝置開工時間僅一年兩個月。為查明斷裂原因，進(jìn)行焦炭塔水馬達(dá)快速接頭失效分析。

該焦炭塔水馬達(dá)主要參數(shù)：操作壓力28～31 MPa，設(shè)計流量220～350 m3/h，輸出軸轉(zhuǎn)速13.3～19.2 r/min，最大輸出扭矩5000 Nm，水馬達(dá)重量575 kg。

該焦炭塔除焦系統(tǒng)屬于有井架水力除焦系統(tǒng)，其基本原理是：由高壓水泵輸出的高壓水，經(jīng)過水龍帶、鉆桿、水馬達(dá)到水力切焦器的噴嘴。從水力切焦器噴嘴噴出的高壓水，形成高壓射流，借助于高壓射流的強(qiáng)大沖擊力，將石油焦從塔內(nèi)切割下來，水力切焦器不斷地升降移動和旋轉(zhuǎn)，直到把焦炭塔內(nèi)的石油焦全部除盡為止。除焦時水力切焦器及水馬達(dá)快速接頭在焦炭塔內(nèi)最高環(huán)境溫度不大于120℃。

2 檢測和分析

2.1 宏觀檢查

斷口宏觀分析表明：水馬達(dá)快速接頭斷口呈脆性斷裂特征，主斷口表面粗糙不平，呈灰黑色顆粒狀，晶粒粗大，水馬達(dá)快速接頭斷口肉眼未見明顯的外觀變形，斷口無斷裂纖維區(qū)，為典型的鑄件脆性斷裂斷口。主斷面與法蘭面基本平齊，開裂起源于內(nèi)徑變徑坡口處，略傾斜向法蘭頸根部外表面圓角擴(kuò)展，斷面宏觀發(fā)現(xiàn)斷裂截面內(nèi)部存在5×20 mm大氣孔、裂紋等鑄造缺陷（見圖1）。水馬達(dá)快速接頭宏觀斷口平面與拉伸應(yīng)力相垂直，屬正斷型開裂（見圖2）。斷口多處有明顯的晶界開裂跡象，組織呈現(xiàn)疏松特征?？傮w來看，該材料冶金質(zhì)量較差。水馬達(dá)快速接頭內(nèi)表面平整光滑，壁厚均勻，無腐蝕跡象。

2.2 化學(xué)成分分析

根據(jù)車間提供的資料，斷裂的水馬達(dá)快速接頭材質(zhì)為ZG20Cr13。為核實該接頭材質(zhì)，用SPECTR OLab直讀光譜儀進(jìn)行了化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表1。

圖1 水馬達(dá)快速接頭斷面宏觀形貌

圖2 水馬達(dá)快速接頭斷裂部位示意圖

經(jīng)過表1試驗可知，斷裂的水馬達(dá)快速接頭化學(xué)成分分析結(jié)果與GB/T2100-2002《一般用途耐蝕鋼鑄件》中ZG20Cr13的化學(xué)成分相符。

2.3 力學(xué)性能分析

為檢驗斷裂的水馬達(dá)快速接頭力學(xué)性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計要求及實際工況需要，進(jìn)行了常溫拉伸力學(xué)性能試驗，試驗按GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》要求進(jìn)行，試驗結(jié)果見表2。

表1 斷裂接頭材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表2 斷裂接頭拉伸力學(xué)性能試驗結(jié)果

由表2試驗結(jié)果可見，斷裂接頭材料的拉伸性能強(qiáng)度指標(biāo)均遠(yuǎn)低于GB/T2100-2002《一般用途耐蝕鋼鑄件》相關(guān)要求。

2.4 金相分析結(jié)果

選取斷裂的水馬達(dá)快速接頭橫截面進(jìn)行金相分析，金相組織均為球狀珠光體、鐵素體及少量片狀珠光體，碳化物沿晶界呈鏈狀連續(xù)分布，組織不均勻且組織粗大。金相組織為非正常調(diào)質(zhì)組織，該快速接頭調(diào)質(zhì)處理不徹底，見圖3。

圖3 斷裂接頭橫截面金相組織形貌500×

3 快速接頭斷裂原因分析

斷裂的原因與水馬達(dá)快速接頭自身承受的拉應(yīng)力有關(guān)。焦炭塔正常切焦過程中，水馬達(dá)、水切焦噴嘴組件和強(qiáng)大的水壓以及焦炭阻力在整個快速接頭截面上構(gòu)成了較大的綜合應(yīng)力，由于接頭機(jī)械性能遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)有效面積上的應(yīng)力值大于材料的強(qiáng)度極限時突然失穩(wěn)，發(fā)生瞬間脆性斷裂。

氣泡、局部組織疏松等鑄造缺陷也是該接頭斷裂的原因之一。鑄件在凝固時，溶于液態(tài)金屬中的氣體常會被釋放出來，這是因為它們在液態(tài)金屬中的溶解度比在固態(tài)金屬中高的緣故。一般說來，大部分析出的氣體在開始凝固后均可從熔融金屬中逸出。然而一些單個氣泡也可能被向內(nèi)生長的凝固金屬包圍。鑄造的零件具有狹窄的橫截面時，氣體就可能釋放不出來，而使零部件性能因存在這些氣泡而被削弱了，這會影響零部件的機(jī)械性能，載荷過大時就會導(dǎo)致零部件斷裂。

低應(yīng)力脆斷是由于材料本身的質(zhì)量及熱處理不當(dāng)，導(dǎo)致接頭強(qiáng)度低、塑韌性及沖擊抗力差造成的。應(yīng)對鋼的冶金質(zhì)量提出較嚴(yán)的要求，應(yīng)采用氣體含量低的純凈鋼；在接頭熱處理工藝方面應(yīng)采用調(diào)質(zhì)處理方法，使接頭受力嚴(yán)重的部位獲得細(xì)小、均勻的回火索氏體組織，從而得到較高的強(qiáng)韌性尤其是斷裂韌性；接頭的表面加工質(zhì)量方面，應(yīng)避免如圓角半徑小、表面粗糙度大和粗加工刀痕，否則都會促使低應(yīng)力脆斷的發(fā)生。

通常ZG20Cr13鋼鑄件經(jīng)1 050℃淬火后再750℃回火處理可獲得索氏體和鐵素體組織。這種調(diào)質(zhì)組織有很好的綜合力學(xué)性能和耐蝕性。而本文中斷裂接頭的金相組織為球狀珠光體、鐵素體及少量片狀珠光體，碳化物沿晶界呈鏈狀連續(xù)分布，組織不均勻且組織粗大。其金相組織為非正常調(diào)質(zhì)組織，該快速接頭調(diào)質(zhì)處理不徹底，降低了調(diào)質(zhì)鋼的綜合力學(xué)性能。另外氣泡、裂紋等鑄造缺陷分割了基體，嚴(yán)重降低了基體的連接強(qiáng)度，這些都是造成鑄件斷裂的主要原因。

4 結(jié)論

（1）綜合以上分析，焦炭塔水馬達(dá)快速接頭的斷裂屬于拉應(yīng)力作用下的脆性斷裂。

（2）斷裂的水馬達(dá)快速接頭鑄造質(zhì)量差、調(diào)質(zhì)處理不徹底是造成機(jī)械性能不足引起快速接頭斷裂的主要原因，長期處于拉壓、扭轉(zhuǎn)的交變載荷作用時造成水馬達(dá)快速接頭開裂。

（3）斷裂接頭存在鑄造缺陷是引起快速接頭斷裂的次要原因。斷裂接頭存在氣孔、裂紋等冶金缺陷和疏松區(qū)域，氣泡等鑄造缺陷分割了基體，嚴(yán)重降低了基體的連接強(qiáng)度，接頭局部承載能力偏低，不能滿足接頭在焦炭塔水馬達(dá)及鉆桿整體結(jié)構(gòu)中的作用。

（4）對于該裝置兩個焦炭塔水馬達(dá)快速接頭，要求供貨廠家必須保證其出廠產(chǎn)品質(zhì)量，按標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格執(zhí)行鑄造及熱處理工藝。

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1671-0711（2016）10（上）-0044-02