吳永忠

（廣東大鵬液化天然氣有限公司，廣東深圳 518048）

0 引言

2016年，某LNG接收站EBARA 高壓泵P-1105G 大修時發(fā)現(xiàn)出口泵蓋內(nèi)側(cè)存在3/4 圓周裂紋，經(jīng)過PT 檢測，確認(rèn)裂紋在內(nèi)部擴(kuò)展較深，如圖1 所示。

圖1 電機(jī)端蓋裂紋

電機(jī)端蓋腔內(nèi)工作壓力9.0 MPa，為承壓部件，可視為壓力容器。根據(jù)ASME 第viii 分篇和《壓力容器監(jiān)察規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定，直接判廢。為保障運(yùn)營生產(chǎn)，對該泵電機(jī)端蓋實(shí)施了國產(chǎn)化改進(jìn)。

1 裂紋成因分析

1.1 金相觀察

使用線切割機(jī)在試樣上分別切取SEM 試樣、金相試樣和XRF 試樣，試樣為裂紋位置附近試樣，進(jìn)行熒光光譜X 射線檢測和金相觀察。

觀察試樣在50×和100×下進(jìn)行的金相組織發(fā)現(xiàn)，金相組織中，淺黃色的大塊組織為基體α 固溶體，聚集的點(diǎn)狀淺色組織為共晶硅，少數(shù)小的塊狀淺色組織為初晶硅，如圖2 和圖3 所示。同時，試樣上均有不同程度的黑色孔洞（疏松），且孔洞尺寸較大，肉眼即可觀察到，孔洞形狀也并不規(guī)則。裂紋的擴(kuò)展和孔洞類似，不會穿過基體α 固溶體，多是沿著共晶硅組織擴(kuò)展，導(dǎo)致裂紋形狀不規(guī)則，裂紋粗細(xì)也不均勻。

圖2 試樣（有裂紋試樣）的50×金相照片

圖3 試樣不同位置100×金相照片

1.2 試樣SEM 分析

使用超聲波和酒精清洗試樣，采用Zeiss-Supra55 型掃描電鏡觀察試樣（有裂紋試樣），并對試樣進(jìn)行EDS 能譜分析。

（1）試樣SEM 照片（圖4）。從照片中可以看出，在未出現(xiàn)裂紋和出現(xiàn)裂紋的區(qū)域上，都存在大量細(xì)小的白色顆粒狀雜質(zhì)。進(jìn)一步觀察裂紋區(qū)域發(fā)現(xiàn)，裂紋粗細(xì)不均勻，開裂深度也較淺，裂紋內(nèi)部還存有較多的圓球狀顆粒。

圖4 試樣1（有裂紋試樣）SEM 照片

（2）試樣EDS 能譜分析。從EDS 能譜分析結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，裂紋附近組織的成分也是以Al 為主，為基體α 相。裂紋內(nèi)部顆粒以及球狀顆粒的成分主要由O、Si、Al 組成。推測這些顆粒主要是Al 或Si的氧化物，各位置未檢測到具有腐蝕性的元素。

1.3 斷口形貌分析

超聲清洗后，觀察斷口形貌可以發(fā)現(xiàn)，斷口表面仍然附著有較多細(xì)小的白色球狀顆粒，斷口形貌以大小不一的韌窩為主，屬于韌性斷裂，如圖5所示。

圖5 SEM 下斷口形貌觀察

1.4 XRF 成分分析

在試樣上切取一塊沒有裂紋的試樣2-1，使用200#～600#水砂紙研磨試樣內(nèi)表面。研磨至光亮后進(jìn)行XRF 成分分析，分析結(jié)果見表1。鋁合金A356.0-T6 各元素標(biāo)準(zhǔn)成分見表2。XRF 分析結(jié)果表明，該試樣中的Si 含量高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的化學(xué)成分值。

表1 XRF 試樣的測試結(jié)果

表2 A356.0-T6 標(biāo)準(zhǔn)成分

1.5 試樣顯微硬度分析

使用維氏硬度計(jì)分別對試樣1（有裂紋試樣）和試樣2-2（無裂紋試樣）進(jìn)行硬度測試。從顯微硬度測試結(jié)果可以看出，試樣1的兩組硬度平均值分別為91.3 HV 和93.1 HV，試樣2-2的平均硬度達(dá)到118.2 HV。試樣1的兩組硬度明顯低于試樣2-2的硬度。另一方面，在試樣1的裂紋兩側(cè)，硬度值也稍有不同，一側(cè)硬度值較低，另一側(cè)硬度值則稍高一些。

1.6 結(jié)果分析及試驗(yàn)結(jié)論

綜合金相實(shí)驗(yàn)、SEM 實(shí)驗(yàn)、XRF 實(shí)驗(yàn)和硬度測試實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，電機(jī)端蓋材料組織內(nèi)部存在較多孔洞。通過金相以及SEM 觀察，這些孔洞形狀較不規(guī)則，多有棱角，孔洞位置都集中在共晶硅以及初晶硅組織上，在基體α 相上幾乎沒有孔洞。電機(jī)端蓋的介質(zhì)是LNG，工作溫度-158.6 ℃。在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)與停機(jī)過程中，電機(jī)端蓋溫度從-158.6 ℃上升到室溫；停機(jī)到運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，電機(jī)端蓋溫度又從室溫降到工作溫度-158.6 ℃，如此大的溫度變化，電機(jī)端蓋存在一定熱應(yīng)力。由于孔洞在組織內(nèi)部屬于不連續(xù)的缺陷，而且其形狀不規(guī)則且有棱角，因此很容易成為熱應(yīng)力集中的位置。當(dāng)集中的熱應(yīng)力值大于孔洞周圍的強(qiáng)度值時，便會形成裂紋源。隨著熱應(yīng)力的不斷作用，裂紋沿著共晶硅組織逐漸延伸，最終形成電機(jī)端蓋內(nèi)側(cè)表面的裂紋。

2 電機(jī)端蓋國產(chǎn)化改進(jìn)

2.1 力學(xué)性能

電機(jī)端蓋鑄件的力學(xué)性能不應(yīng)低于表3 要求。

表3 主要力學(xué)性能

2.2 有限元分析及強(qiáng)度計(jì)算

對電機(jī)端蓋進(jìn)行有限元分析。通過仿真可知，電機(jī)端蓋在打壓載荷作用下產(chǎn)生的最大膜應(yīng)力σm=54.287 MPa，最大膜加彎曲應(yīng)力σm+σb=70.679 MPa。電機(jī)端蓋材料在工作溫度下的材料許用應(yīng)力S=59.3 MPa。電機(jī)端蓋打壓載荷作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力滿足σm＜S，σm+σb＜1.5 S=88.95 MPa，電機(jī)端蓋強(qiáng)度滿足打壓載荷作用下的設(shè)計(jì)要求。由材料特性可知，在低溫工作狀況下材料許用應(yīng)力更高，加上電機(jī)端蓋工作壓力比打壓載荷壓力低，因此電機(jī)端蓋在工作條件下能滿足強(qiáng)度要求。

2.3 現(xiàn)場測試

電機(jī)端蓋國產(chǎn)化改進(jìn)后，2018年2 月11 日，在接收站進(jìn)行現(xiàn)場測試，振動值（1.1 mm/s）等各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)于原泵。

3 結(jié)論

電機(jī)端蓋的材料化學(xué)成分不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，Si 含量超過標(biāo)準(zhǔn)值，電機(jī)端蓋材料內(nèi)部含有大量不規(guī)則孔洞。由于電機(jī)端蓋的工作溫度是-158.6 ℃，停機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生一定熱應(yīng)力，在孔洞周圍會形成應(yīng)力集中，多次停開機(jī)引起的循環(huán)熱應(yīng)力，使得電機(jī)端蓋沿著應(yīng)力集中的孔洞逐漸開裂。

該泵電機(jī)端蓋實(shí)施國產(chǎn)化后，2018年2 月至今，運(yùn)行情況始終良好。2020年1 月，對該高壓泵國產(chǎn)化電機(jī)端蓋進(jìn)行驗(yàn)證檢測，沒有發(fā)現(xiàn)缺陷，證明高壓泵電機(jī)端蓋國產(chǎn)化是成功的。