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        多級離心泵斷軸失效分析

        2019-05-08 11:34:54張臣利李建華
        石油化工設(shè)備技術(shù) 2019年3期
        關(guān)鍵詞:斷軸泵體灰渣

        張臣利,李建華, 薛 亮

        (大連深藍(lán)泵業(yè)有限公司,遼寧 大連 116031)

        某大型煤化工項目中的洗滌塔給水泵是氣化裝置主泵,輸送介質(zhì)含灰渣顆粒,選擇的是BB3型式自平衡多級泵產(chǎn)品(見圖1),7級葉輪,首級雙吸。泵軸采用耐磨蝕和腐蝕的沉淀硬化不銹鋼17-4PH材質(zhì)。該泵穩(wěn)定運行近1年,在中控室及現(xiàn)場巡檢記錄中未出現(xiàn)任何異常的情況下,突然發(fā)生斷軸停車的嚴(yán)重事故。

        1—軸承部件(非驅(qū));2—軸;3—密封部件;4—泵體;5—泵蓋;6—節(jié)流蓋;7—節(jié)流襯套;8—泵體口環(huán);9—輪轂口環(huán);10—中間襯套;11—吸入襯套(左);12—泵體口環(huán)(雙吸左);13—泵體口環(huán)(雙吸右);14—吸入襯套(右);15—軸承部件(驅(qū));16—葉輪口環(huán)(雙吸右);17—葉輪(首級雙吸);18—葉輪口環(huán)(雙吸左);19—吸入軸套;20—卡環(huán);21—葉輪(次級驅(qū));22—中間軸套;23—葉輪口環(huán)(輪轂);24—葉輪口環(huán);25—葉輪(次級非驅(qū));26—節(jié)流軸套

        將泵解體后發(fā)現(xiàn),斷裂位置在非驅(qū)側(cè)第二級葉輪輪轂根部,靠近中間軸套處,驅(qū)動側(cè)葉輪口環(huán)抱死,第7級葉輪前蓋板與泵體流道產(chǎn)生嚴(yán)重刮擦,聯(lián)軸器處滾鍵。氣化裝置流程見圖2,洗滌塔給水泵主要參數(shù)見表1。

        圖2 氣化裝置流程

        1 斷軸原因分析排查

        1.1 泵軸材料分析

        1.1.1 化學(xué)成分分析

        斷軸材質(zhì)為17-4PH(國標(biāo)牌號05Cr17Ni4-Cu4Nb)。對斷軸處取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,見表2。結(jié)果顯示,其各項化學(xué)元素成分符合GB/T 1220—2007標(biāo)準(zhǔn)要求。

        表1 洗滌塔給水泵主要參數(shù)

        表2 斷軸材質(zhì)化學(xué)成分分析

        1.1.2 力學(xué)性能分析

        對斷軸取樣進(jìn)行拉伸和硬度試驗,詳見表3。結(jié)果顯示,其各項力學(xué)性能符合GB/T 228—2002和GB/T 231—2002標(biāo)準(zhǔn)要求。

        1.1.3 金相分析

        對斷軸處取樣進(jìn)行金相分析,分析報告見圖3。檢測報告顯示,金相組織為保留馬氏體位相的回火索氏體+帶狀分布鐵素體,符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

        圖3 金相分析報告

        1.2 泵軸強(qiáng)度分析

        根據(jù)軸上的載荷作彎矩圖、扭矩圖[如圖4a)~圖4b)所示],計算各個截面的彎矩、扭矩【1】。

        表3 力學(xué)性能分析報告

        圖4 彎矩和扭矩

        由圖4可以看出,較危險的截面為13截面。該截面的數(shù)據(jù)為:軸徑d=0.078 m;彎矩M1=448.7 N·m(軸向力),M2=92.2 N·m(離心力);扭矩Mn=1 193.4 N·m。

        17-4PH材料的屈服極限為725 MPa,抗拉強(qiáng)度為930 MPa,對稱循環(huán)剪切強(qiáng)度極限為447 MPa,計算得軸的安全系數(shù)為32.2(許用值為[n]=17),遠(yuǎn)大于安全系數(shù)許用值。

        因此該軸既滿足強(qiáng)度要求,也滿足疲勞強(qiáng)度要求。

        1.3 斷口樣貌分析

        斷軸處實物切口如圖5a)~圖5b)所示。

        圖5 斷口樣貌分析

        觀察斷口實物并與圖5b)所示的疲勞斷口樣貌對比來看,斷面與軸線基本垂直,且較為平整,顯示其為軸在無明顯塑性變形的情況下沿解里面劈裂而發(fā)生的脆性斷裂,而且該斷口上還分布著以鍵槽根部為中心的貝殼狀疲勞弧帶,顯示出疲勞斷裂的特征【2】。

        疲勞斷口保留了整個斷裂過程的所有痕跡,記錄了很多斷裂的信息,具有明顯區(qū)別于其他任何性質(zhì)斷裂的斷口形貌特征,而這些特征又受材料性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力大小及現(xiàn)場運轉(zhuǎn)情況的影響,由于材料原因在上述分析中已經(jīng)排除,因此問題集中在現(xiàn)場運轉(zhuǎn)狀況上。

        1.4 現(xiàn)場運行狀態(tài)分析

        1) 泵送介質(zhì)為灰水。拆檢時發(fā)現(xiàn),附著在零件表面的粘性灰渣較多。從葉輪拆檢后的檢查結(jié)果來看,葉輪入口沒有汽蝕痕跡,高壓區(qū)摩擦副(4級和7級葉輪口環(huán)、中間軸套和襯套處)有明顯磨損痕跡。經(jīng)檢查,摩擦副最大直徑間隙為0.77 mm,高于設(shè)計值0.4 mm。間隙變大導(dǎo)致泵的軸向力發(fā)生變化,振動加劇,使泵的運轉(zhuǎn)處在非正常的工作狀態(tài),加大了對軸的應(yīng)力。

        2) 現(xiàn)場泵入口濾網(wǎng)情況反映出灰渣含量較高且濾網(wǎng)目數(shù)過小?;以扛咴斐扇肟跒V網(wǎng)易堵塞,導(dǎo)致斷流形成。濾網(wǎng)目數(shù)選擇不合理,進(jìn)入泵內(nèi)的灰渣顆粒量大,摩擦副磨損加劇。泵入口濾網(wǎng)堵塞或過流不暢引起摩擦副干磨,并最終咬合在一起,這對高速運轉(zhuǎn)中的軸來說,受到的沖擊最大。拆卸后的濾網(wǎng)見圖6。

        圖6 拆卸后的濾網(wǎng)

        3) 從泵端聯(lián)軸器滾鍵的損壞程度分析,摩擦副咬合后,電機(jī)仍高速運轉(zhuǎn),最終將軸扭斷。拆卸后的滾鍵處見圖7。

        圖7 拆卸后的滾鍵處

        2 結(jié)語

        對于輸送含灰渣顆粒介質(zhì)的多級離心泵, 泵制造商選型時應(yīng)選用不帶平衡盤、平衡鼓等利用間隙調(diào)整平衡軸向力的平衡機(jī)構(gòu)(原泵無平衡機(jī)構(gòu))的自平衡型式多級泵【3】??紤]泵軸及摩擦副材料耐磨性,應(yīng)選用硬度高的材料,堆焊噴涂耐磨涂層。為應(yīng)對灰渣含量較高和需選用高目數(shù)濾網(wǎng)的矛盾,現(xiàn)場應(yīng)經(jīng)常檢查泵入口濾網(wǎng)是否堵塞??梢栽O(shè)置壓差變送器進(jìn)行檢測,同時入口配雙路過濾器結(jié)構(gòu)方便檢修,防止泵入口斷流導(dǎo)致抽空抱死等嚴(yán)重事故發(fā)生。

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