張?chǎng)危ㄖ袊?guó)石化揚(yáng)子石油化工有限公司水廠，江蘇南京210000）

0 引言

煉油廠某加氫裝置高壓注水泵在投入使用3 年后，在DCS和現(xiàn)場(chǎng)巡檢數(shù)據(jù)均未出現(xiàn)異常的情況下，電機(jī)電流迅速增大，超過設(shè)定值導(dǎo)致電機(jī)聯(lián)鎖停機(jī)，之后對(duì)該泵進(jìn)行解體檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)泵軸斷裂。此泵軸的實(shí)際使用壽命遠(yuǎn)低于其設(shè)計(jì)使用壽命，所以有必要對(duì)泵軸進(jìn)行全面的檢測(cè)分析以找出斷軸原因，從而采取應(yīng)對(duì)措施，這對(duì)提高轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性以及維持整套加氫裝置的平穩(wěn)生產(chǎn)有著重要意義。

1 設(shè)備及其故障情況

該高壓注水泵型號(hào)為DCSG 80-120×12A，泵型為BB5，泵額定流量為65.5 m3/h，揚(yáng)程為1673m，進(jìn)出口壓力為0.2/16.2MPa，泵電機(jī)功率為539.1kW，轉(zhuǎn)速為2980r/min，泵軸材質(zhì)為42CrMo，泵輸送介質(zhì)主要為外供除氧水，部分為分餾塔頂回流罐切水，泵入口管線處有加注緩蝕劑（主要成分為多硫化鈉），介質(zhì)溫度約74℃。

泵軸斷裂在泵末級(jí)葉輪后平衡盤鼓卡環(huán)槽靠非驅(qū)動(dòng)端機(jī)械密封一側(cè)退刀槽處。該泵采用平衡盤鼓聯(lián)合結(jié)構(gòu)來平衡軸向力，其結(jié)構(gòu)與泵軸斷裂位置如圖1所示。平衡盤鼓卡環(huán)套通過內(nèi)六角螺釘緊固在平衡盤上，將調(diào)整墊和平衡盤鼓卡環(huán)槽內(nèi)卡環(huán)壓緊。

圖1 泵軸斷裂位置

2 應(yīng)力分析

平衡盤鼓一側(cè)為末級(jí)葉輪的后泵腔，為該泵最高壓力處。平衡盤鼓另一側(cè)為平衡室，通過平衡管將平衡室與吸入口連通。作用在平衡盤鼓上的壓差，形成指向背向吸入口的平衡力，用來平衡作用在轉(zhuǎn)子上的軸向力。該泵有12級(jí)葉輪，出入口壓力差和轉(zhuǎn)子受到的軸向力較大，所以平衡盤鼓兩側(cè)壓差與其受到的平衡力也較大。因此可以得出，泵軸斷裂位置在泵工作時(shí)一直承受著較大的拉伸應(yīng)力。而泵軸在退刀槽處截面尺寸發(fā)生突變，在泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。

3 斷口分析

對(duì)斷裂失效的泵軸進(jìn)行宏觀和微觀觀察后發(fā)現(xiàn)：最初斷裂區(qū)中存在明顯的放射狀弧線，泵軸從此處起裂，在交變載荷的作用下，裂紋沿著徑向方向擴(kuò)展，最后完全斷裂。最終斷裂區(qū)發(fā)生了明顯的塑性變形，微觀組織存在韌性斷裂的特征，判斷泵軸是在交變拉伸應(yīng)力作用下發(fā)生的疲勞斷裂。

4 金相組織分析

泵軸采用的是42CrMo 鋼，其綜合力學(xué)性能和工藝性能較好，可用于制造截面大與強(qiáng)度高的軸類零件。通常按使用要求，軸類零件采用調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)處理后得到回火索氏體組織[1,2]。在泵軸斷裂處進(jìn)行取樣分析，典型組織如圖2 所示，可以看出，泵軸斷裂處主要組織為灰色顆粒狀的回火索氏體和未溶解的鐵素體，且存在偏析，組織分布不均勻。調(diào)質(zhì)處理是指淬火加高溫回火的熱處理方法，其中回火索氏體是淬火馬氏體在高溫回火階段形成的。在調(diào)質(zhì)工藝的淬火過程中，由于淬火溫度偏低或加熱保溫時(shí)間不夠，基體組織未充分奧氏體化，出現(xiàn)未溶解的鐵素體；同時(shí)，由于淬火過程中成分沒有完全均勻化，調(diào)質(zhì)后仍存偏析現(xiàn)象。因此，可以判斷該泵軸的熱處理工藝存在問題。

圖2 泵軸金相組織圖

5 腐蝕產(chǎn)物分析

在斷裂泵軸端面取一份垢樣，對(duì)垢樣進(jìn)行烘干和研磨，進(jìn)行能譜分析，分析結(jié)果顯示垢樣的成分元素主要有Fe(67.48%)、S(15.63%)、O(9.89%)。加氫裝置分餾塔頂氣含有大量硫化氫，是硫元素主要來源，推測(cè)腐蝕產(chǎn)物主要為硫化物與氧化物，說明分餾塔頂回流罐切出的含硫污水形成的濕硫化氫環(huán)境會(huì)對(duì)泵軸造成腐蝕，而泵軸在硫化氫和拉伸應(yīng)力共同作用下發(fā)生應(yīng)力腐蝕，是泵軸失效的主要原因。

6 泵軸斷裂原因綜合分析

泵軸斷裂在平衡盤鼓卡環(huán)槽靠軸端密封一側(cè)退刀槽處，由于轉(zhuǎn)子所受軸向力和平衡盤鼓兩側(cè)壓差形成的平衡力的影響，該位置在泵工作時(shí)承一直承受著較大的拉伸應(yīng)力，泵軸的階梯過渡處又存在應(yīng)力集中。而長(zhǎng)時(shí)間的拉伸載荷可能使退刀槽產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致退刀槽有效面積減少，根部圓角半徑R 減小，進(jìn)一步加重了應(yīng)力集中現(xiàn)象。結(jié)合斷口分析和腐蝕垢樣分析，在靠近泵軸表層部位，發(fā)現(xiàn)存在硫化氫應(yīng)力腐蝕跡象，應(yīng)力腐蝕是金屬材料在腐蝕性介質(zhì)和拉伸應(yīng)力的共同作用下發(fā)生的一種破壞形式。金屬發(fā)生應(yīng)力腐蝕時(shí)，腐蝕和應(yīng)力這兩個(gè)因素相互促進(jìn)，一方面腐蝕使金屬的有效截面積減小和表面上形成缺口，產(chǎn)生應(yīng)力集中；另一方面，應(yīng)力加速了腐蝕的進(jìn)展，使表面缺口向更深處擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂。在應(yīng)力腐蝕中，如果應(yīng)力是交變的拉伸應(yīng)力，這種腐蝕叫做疲勞腐蝕[3]。綜上，泵軸的失效部位長(zhǎng)期承受較大的拉伸應(yīng)力且存在應(yīng)力集中，其表面缺陷在硫化氫和拉伸應(yīng)力共同作用下發(fā)生應(yīng)力腐蝕形成裂紋源，腐蝕與交變應(yīng)力的作用使裂紋擴(kuò)展并最終發(fā)生疲勞斷裂。且由于熱處理工藝或方法不當(dāng)，降低了泵軸的綜合力學(xué)性能，更加有利于疲勞裂紋的擴(kuò)展。

7 改進(jìn)措施

針對(duì)泵軸斷裂原因分析得出的結(jié)論，改進(jìn)措施如下：

(1)將分餾塔頂回流罐含硫污水并入注水系統(tǒng)是裝置設(shè)計(jì)后期為了降低能耗而修改的，在該泵設(shè)計(jì)選型時(shí)未考慮到這點(diǎn)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)上對(duì)泵軸抗腐蝕能力要求偏低，可以考慮將泵軸材質(zhì)進(jìn)行升級(jí)，選用耐酸腐蝕性能較好的材質(zhì)如17-4PH。或考慮修改工藝流程，將分餾塔頂回流罐含硫污水并入酸性水系統(tǒng)。

(2)泵入口加注的緩蝕劑主要成分為多硫化鈉，同樣有可能對(duì)泵軸產(chǎn)生腐蝕作用，可以在注水管線腐蝕速度能夠控制的情況下適當(dāng)減少緩蝕劑的加注量。

(3)在滿足安裝工藝的條件下可以適當(dāng)增大斷裂位置退刀槽根部圓角半徑R，降低應(yīng)力集中系數(shù)，同時(shí)提高泵軸表面加工質(zhì)量，并經(jīng)過無損探傷，避免表面缺陷的存在。

(4)嚴(yán)格控制熱處理工藝要求，保證泵軸材料的金相組織符合要求以及良好的綜合力學(xué)性能。