高压煤浆泵轴断裂原因分析与处理

李 明,刘蔚云

（江苏索普（集团）有限公司，江苏南京200050）

1 概述

高压煤浆泵是我司甲醇厂的主要设备，2009年随工程项目投用，属于往复式柱塞隔膜泵，工作温度80℃，工作压力 9.6 MPa,流量：13～43 m3，最大 56 m3，13～40行程次数/min,250 mm活塞行程，骨架油封。为节约费用和缩短订货时间，2013年3月我司将泵轴国产化，但仅使用4个月就发生了轴断裂故障，远未达到进口泵轴使用5年的设计寿命。

2 泵轴断裂原因分析

图1是前后两次断裂的泵宏观断口分析照片。本次分析共选取早期德国（制造）原配泵轴的断口一枚，近期国产替代轴的断口一枚失效进行分析。

德国（制造）原配的泵轴，断裂于螺纹部位，断口由启裂区、慢速扩展区及最后快速失稳断裂区组成。国产替代泵轴断裂于光滑轴杆段，断口上的启裂区、慢速扩展区及最后快速失稳断裂区分区清晰。

图1 两次断裂轴的宏观断口形貌分析照片

从宏观断口形貌看：两个轴的断口宏观上均为脆性断裂，断口上的启裂区、慢速扩展区以及最后过载瞬断区清晰，断口上可见贝纹线特征形貌，属于典型的疲劳断裂。

图2、3是两个轴材质的显微金相分析照片。德国（制造）原配的泵轴在高倍下可见渗碳体呈颗粒状，确定材料的热处理为调质状态——回火索氏体，其是（大型运动部件）轴类零件的必要的热处理状态，具备良好抗疲劳的热处理条件。国产替代泵轴在高倍下可见珠光体内的渗碳体呈完整的片状，这是正火后没有进行回火（或回火温度不够）处理的显微组织形貌，其显微组织为正火状态的体素体+珠光体，材料处于正火状态，且没有进行高温回火，这种组织状态不能充分发挥材料的疲劳抗力，无法保证大型轴类零件的抗疲劳能力。

图2 德国（制造）原配压缩机轴断裂件显微金相分析

图3 国产替代压缩机轴断裂件显微金相分析

图4是断口的扫描电镜分析照片。断口上的启裂区清晰，扩展区的断口因材料的热处理状态为正火，导致组织为两种不同的组成物（铁素体和珠光体），在疲劳载荷作用下发生不均匀塑性变形，而呈现高低不同的断口特征形貌，足见正火状态的材料疲劳抗力不足。高倍下可见到不规则的应力休止线，轴发生了疲劳断裂应该没有疑问。

由上得出如下结论：国产替代泵轴没有进行调质处理，是导致泵轴提前断裂（或疲劳寿命较短）的重要原因。

通过失效分析，找到了原因，并进行了改善处理，使用近1年来情况良好。

图4 断口扫描电镜分析

3 经济测算及结论

一根泵轴外购需要3万美金，国产化后仅需3万元人民币，购置进口泵轴购置费用高，经济性差；原来进口泵轴采购周期6个月，国产化后，采购周期只要10天，从稳定生产的角度，原来进口泵轴一般至少备用3只，国产泵轴只要备用1只即可。因此，在保证生产的前提下，从经济性方面考虑，合理地备用国产泵轴，5台设备可以节省近50万元，年平均节约费用10万，既安全又经济。