, ,,

(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(shù)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(shù)有限公司，遼寧 沈陽 110000)

針對鑄態(tài)304不銹鋼材質(zhì)葉輪服役期不超過6個月即發(fā)生斷裂失效現(xiàn)象，采用葉輪化學(xué)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(jié)果表明：葉輪斷裂失效的主要原因是泵內(nèi)介質(zhì)(主要是H2S)產(chǎn)生沖刷腐蝕，導(dǎo)致局部壁厚減薄形成應(yīng)力集中；由于交變應(yīng)力的作用，應(yīng)力集中處產(chǎn)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(cè)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(chǎn)生H2S和氨，最后剩余凈化水。凈化水質(zhì)量滿足要求后送入污水處理場繼續(xù)處理。高速泵P04/A是裝置的重要設(shè)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(zhì)是液氨、氣氨和H2S的混合物；工作溫度-5 ℃(由于該泵葉輪轉(zhuǎn)速高，工作溫度會升高)，用于氨精制塔內(nèi)液氨循環(huán)，降低塔內(nèi)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(zhì)為鑄態(tài)304不銹鋼，泵內(nèi)介質(zhì)是液氨和氣氨等混合物，啟動后攪動液氨發(fā)熱汽化，容易抽空，易發(fā)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(nèi)液面，精心調(diào)節(jié)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(fā)生氣蝕及H2S腐蝕，故障率較高。

該泵檢修過程中發(fā)現(xiàn)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(nèi)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(nèi)表面(見圖4)。

圖1 葉輪前蓋板沖刷腐蝕形貌

圖2 泵殼內(nèi)壁宏觀形貌

圖3 葉輪表面裂紋

圖4 殼體內(nèi)表面大量白色斑點

2 葉輪失效分析

2.1化學(xué)成分分析

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

表1 葉輪化學(xué)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(gòu)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(xiàn)出金屬光澤，可以清晰地看到鑄態(tài)葉輪結(jié)晶取向(見圖5)。

圖5 葉輪前蓋板宏觀形貌

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

圖6 葉輪后蓋板宏觀形貌及破損狀態(tài)

在葉輪流道出口端有多條裂紋產(chǎn)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(tài)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(nèi)、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(nèi)、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(nèi)壁嚴重減薄，直接導(dǎo)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(zhuǎn)了360°，流體在流道中的高速流動，勢必對葉輪流道產(chǎn)生強烈沖擊。同時，工作介質(zhì)對葉輪金屬產(chǎn)生腐蝕，使得葉輪表面呈現(xiàn)金屬光澤、產(chǎn)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(jīng)預(yù)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(tài)奧氏體加少量鐵素體，其內(nèi)、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(qū)、擴展區(qū)和最后斷裂區(qū)，因泵內(nèi)介質(zhì)的腐蝕作用，其疲勞斷裂的一些精細結(jié)構(gòu)已經(jīng)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(qū)進行EDX，結(jié)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(qū)SEM形貌

表1 EDX結(jié)果

3 分析與討論

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

葉輪高速旋轉(zhuǎn)，泵內(nèi)流體介質(zhì)會對葉輪，尤其是葉輪流道產(chǎn)生強烈沖刷。當葉輪表面的鈍化膜被介質(zhì)腐蝕破壞后，流體沖刷會更加顯著。沖刷腐蝕會導(dǎo)致葉輪上局部區(qū)域壁厚減薄，在流道與后蓋板內(nèi)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(zhuǎn)會產(chǎn)生離心力和振動，有抽空現(xiàn)象發(fā)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(fā)生在葉輪最薄弱和應(yīng)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(chǎn)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(zhì)汽化也造成了葉輪部分區(qū)域的空蝕，導(dǎo)致葉輪強度降低和局部應(yīng)力集中，加速葉輪失效。

葉輪自身結(jié)構(gòu)特征，即三個流道對葉輪運行時產(chǎn)生振動也有一定影響，需要加以考慮[4]。

綜上所述，介質(zhì)沖刷腐蝕和腐蝕疲勞是導(dǎo)致葉輪開裂失效的主要原因。

4 結(jié)論與建議

(1)葉輪材質(zhì)為304不銹鋼，葉輪金相組織為鑄態(tài)奧氏體+少量鐵素體。

(2)葉輪工作時泵內(nèi)介質(zhì)(主要是H2S)對葉輪流道與后蓋板內(nèi)壁交角處附近的沖刷腐蝕，導(dǎo)致該部位葉輪后蓋板壁厚嚴重減薄、強度降低、應(yīng)力集中；同時，在葉輪工作時，因振動產(chǎn)生交變應(yīng)力作用，在葉輪這些強度低及應(yīng)力集中處產(chǎn)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(zhì)為304不銹鋼，已經(jīng)滿足不了高速泵在目前環(huán)境介質(zhì)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(chǎn)生振動(交變載荷)，與葉輪轉(zhuǎn)速、流體介質(zhì)狀況以及葉輪本身的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。應(yīng)從安裝角度、泵的設(shè)計和工藝操作等方面嚴格控制以減少振動發(fā)生，從而抑制疲勞現(xiàn)象發(fā)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(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析[J].西華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)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(xué)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(yè)于大連理工大學(xué)，現(xiàn)在該公司研究院從事管理工作。E-mail:zyzyzy163@163.com