贫胺液泵泵轴切断原因分析及解决措施

杜俊杰，霍朝阳

(天津石化公司工程质量监督站，天津 300270)

某炼化企业贫胺液泵2010年1月投入使用，2011年8月底即发生泵轴切断事故，运行周期仅14个月。

为了防止同类事故再次发生，对该贫胺液泵轴断裂原因进行了分析，提出了相应预防措施，并取得了阶段性成果。

一、基本情况介绍

贫胺液泵为双吸单级离心泵，轴设计功率为1 201kW，泵轴材质为0Cr17Ni4Cu4Nb(17-4PH)，运行介质为贫胺液，运行温度为50℃。

如图1所示，断裂处在叶轮后端并靠近叶轮的轴肩处，轴断处外径：φ100mm。断口整体表面比较光滑，粗糙的瞬时断裂区面积相对较小，断口没有明显的塑性变形。

二、泵轴断裂原因分析

1.材质检测与分析

(1)化学成分检测

从断轴上取样进行化学成分分析，结果表明，所有元素的含量均在标准范围内，化学成分正常。

(2)金相检测

17-4PH(0Cr17Ni4Cu4Nb)钢锻造加工而成，并经固溶+时效处理。在断口截取金相试样，光学显微镜下观察，其显微组织为板条马氏体+残留奥氏体+δ铁素体，组织均匀细密。δ铁素体为细条状并呈带状分布，残留奥氏体呈带状分布，其含量较多。残余奥氏体存在会降低17-4PH钢的强度，而δ-铁素体沿变形流线方向分布将伤害钢的横向性能，尤其是塑性和韧性，还会成为热变形时的开裂源，特别是较大尺寸的材料。

(3)常规力学性能测试

依据国家标准《GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法》制备17-4PH钢的拉伸试样。

在近断口处取直径为10的比例拉伸试样(图2)，实验结果见表1。由表可知，泵轴材料塑性较高而强度偏低。据报道17-4PH钢经两次时效，其RP0.2为1290MPa，Rm为1400MPa，一次时效其屈服强度应＞1000MPa。

表1 17-4PH不锈钢拉伸试验数据 (20℃)

(4)物相分析

泵轴材料的X衍射曲线见图3，以马氏体为主相，还有部分在热处理过程中未溶解的Cu相。

2.断口检测与分析

(1)宏观断口检测分析

宏观断口无明显的塑性变形，属脆性断裂，断口明显呈现具有不同形貌特征的三个区域。

裂纹源：裂纹源处于卡环槽底部尖角的应力集中处，断口光滑，两侧有明显的裂纹扩展台阶，裂纹源处未发现材料缺陷。

裂纹扩展区：该区域占据断口的大部分区域，断口平滑，未见明显的贝纹线，说明载荷稳定。

瞬时断裂区：瞬时断裂区域包含放射区和剪切唇两个部分，断口粗糙不平，剪切唇与断面成45°夹角。瞬时断裂区的面积不大。

从宏观断口初步判断为疲劳断裂。

(2)微观断口检测分析

将断口分成几个区，分别在扫描电子显微镜下观察，断口的微观形态如下。

裂纹源和疲劳裂纹扩展区都可见到疲劳辉纹，疲劳辉纹周围存在许多二次裂纹，表明疲劳裂纹在扩展同时还伴随脆性断裂。

最后破坏区断口的微观形态主要为韧窝断口形貌，韧窝大小不一。

图4为断口EDS能谱分析，含有O元素，表明断口表面出现一定程度氧化。

从断口的宏、微观分析，可确定其为疲劳断口。

3.泵轴结构分析

贫胺液泵泵轴结构局部如图5所示，结构不合理。

(1)叶轮两端均用卡环紧固，须在轴上加工卡环槽，削弱了泵轴强度。

(2)卡环槽底部为非圆弧过渡，将形成应力集中，泵轴以卡环槽根部为裂纹源，在交变载荷的作用下，裂纹不断扩展，产生多源早期疲劳断裂。因此叶轮两端的卡环槽是整个泵轴最薄弱部位。因泵轴驱动端较非驱动端须传递更大扭矩，所以驱动端在卡环槽处首先断裂。

4.工艺运行情况分析

建议确认贫胺液泵的实际使用流量和扬程，校核轴的强度是否超出设计负荷。但从宏观端口看，瞬时断裂区的面积不大，放射区域不明显，说明载荷不大，且比较稳定。

从断面形态及物相分析看，断口未发现腐蚀产物，可排除腐蚀疲劳破坏。

三、泵轴断裂分析结论与解决对策与措施

1.结论

(1)贫胺液泵泵轴的材料为17-4PH(0Cr17Ni4Cu4Nb)钢，其化学成分正常。

(2)金相组织检测发现残余奥氏体偏多，造成轴的强度偏低。

(3)泵轴设计不合理，卡环槽为尖角，应力集中严重，成为裂纹萌生源。

(4)泵轴为疲劳断裂。

2.解决对策与措施

(1)改进泵轴局部结构。

原泵轴叶轮两侧均采用卡环定位，由于卡环槽为尖角过渡，存在严重的应力集中，造成该轴过早疲劳破坏。建议将卡环槽改为R2的圆角过渡，或将驱动端改为轴肩定位，均采用圆角过渡，如图6所示。

(2)改进热处理工艺。

泵轴的强度偏低，从组织分析看，材料的残余奥氏体偏多，降低了材料的综合性能，这也是引起给泵轴早期疲劳断裂的重要原因。因此需要严格规范热处理工艺。

17-4PH不锈钢的热处理通常由固溶处理和时效处理组成。固溶温度既不能过高，也不能过低。过高则引起δ-铁素体含量增多，Ms点降低，使之固溶冷至室温后残留奥氏体量增多，从而使强度下降；过低则组织难以均匀化。通常以1 020～1 060℃为宜。时效温度可以在较宽的范围内变动，以满足不同的使用要求。450～500℃时效钢的强度达到最高值，但韧性、塑性以及耐蚀性能降到最低值，在550℃左右时效能获得最佳的强度和韧性配合。

(3)若运行工况发生变化，需重新计算该泵轴的受力大小，以便合理地选择17-4PH钢的热处理工艺，从而发挥材料的最大潜力。

该泵轴厂家根据以上分析和解决措施要求，对生产制造工艺进行了适当的调整，重新制造加工、安装后至今设备运行平稳，转子运行状态良好。

[1]石柯德.材料科学基础[M].北京：机械工业版社,2003.