多级离心泵断轴失效分析
2019-05-08张臣利李建华
张臣利，李建华， 薛 亮
(大连深蓝泵业有限公司，辽宁 大连 116031)
某大型煤化工项目中的洗涤塔给水泵是气化装置主泵，输送介质含灰渣颗粒，选择的是BB3型式自平衡多级泵产品(见图1)，7级叶轮，首级双吸。泵轴采用耐磨蚀和腐蚀的沉淀硬化不锈钢17-4PH材质。该泵稳定运行近1年，在中控室及现场巡检记录中未出现任何异常的情况下，突然发生断轴停车的严重事故。
1—轴承部件(非驱)；2—轴；3—密封部件；4—泵体；5—泵盖；6—节流盖；7—节流衬套；8—泵体口环；9—轮毂口环；10—中间衬套；11—吸入衬套(左)；12—泵体口环(双吸左)；13—泵体口环(双吸右)；14—吸入衬套(右)；15—轴承部件(驱)；16—叶轮口环(双吸右)；17—叶轮(首级双吸)；18—叶轮口环(双吸左)；19—吸入轴套；20—卡环；21—叶轮(次级驱)；22—中间轴套；23—叶轮口环(轮毂)；24—叶轮口环；25—叶轮(次级非驱)；26—节流轴套
将泵解体后发现，断裂位置在非驱侧第二级叶轮轮毂根部，靠近中间轴套处，驱动侧叶轮口环抱死，第7级叶轮前盖板与泵体流道产生严重刮擦，联轴器处滚键。气化装置流程见图2，洗涤塔给水泵主要参数见表1。
图2 气化装置流程
1 断轴原因分析排查
1.1 泵轴材料分析
1.1.1 化学成分分析
断轴材质为17-4PH(国标牌号05Cr17Ni4-Cu4Nb)。对断轴处取样进行化学成分分析，见表2。结果显示，其各项化学元素成分符合GB/T 1220—2007标准要求。
表1 洗涤塔给水泵主要参数
表2 断轴材质化学成分分析
1.1.2 力学性能分析
对断轴取样进行拉伸和硬度试验，详见表3。结果显示，其各项力学性能符合GB/T 228—2002和GB/T 231—2002标准要求。
1.1.3 金相分析
对断轴处取样进行金相分析，分析报告见图3。检测报告显示，金相组织为保留马氏体位相的回火索氏体+带状分布铁素体，符合相关标准要求。
图3 金相分析报告
1.2 泵轴强度分析
根据轴上的载荷作弯矩图、扭矩图[如图4a)～图4b)所示]，计算各个截面的弯矩、扭矩【1】。
表3 力学性能分析报告
图4 弯矩和扭矩
由图4可以看出，较危险的截面为13截面。该截面的数据为：轴径d=0.078 m；弯矩M1=448.7 N·m(轴向力)，M2=92.2 N·m(离心力)；扭矩Mn=1 193.4 N·m。
17-4PH材料的屈服极限为725 MPa，抗拉强度为930 MPa，对称循环剪切强度极限为447 MPa，计算得轴的安全系数为32.2(许用值为[n]=17)，远大于安全系数许用值。
因此该轴既满足强度要求，也满足疲劳强度要求。
1.3 断口样貌分析
断轴处实物切口如图5a)～图5b)所示。
图5 断口样貌分析
观察断口实物并与图5b)所示的疲劳断口样貌对比来看，断面与轴线基本垂直，且较为平整，显示其为轴在无明显塑性变形的情况下沿解里面劈裂而发生的脆性断裂，而且该断口上还分布着以键槽根部为中心的贝壳状疲劳弧带，显示出疲劳断裂的特征【2】。
疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，记录了很多断裂的信息，具有明显区别于其他任何性质断裂的断口形貌特征，而这些特征又受材料性质、应力状态、应力大小及现场运转情况的影响，由于材料原因在上述分析中已经排除，因此问题集中在现场运转状况上。
1.4 现场运行状态分析
1) 泵送介质为灰水。拆检时发现，附着在零件表面的粘性灰渣较多。从叶轮拆检后的检查结果来看，叶轮入口没有汽蚀痕迹，高压区摩擦副(4级和7级叶轮口环、中间轴套和衬套处)有明显磨损痕迹。经检查，摩擦副最大直径间隙为0.77 mm，高于设计值0.4 mm。间隙变大导致泵的轴向力发生变化，振动加剧，使泵的运转处在非正常的工作状态，加大了对轴的应力。
2) 现场泵入口滤网情况反映出灰渣含量较高且滤网目数过小。灰渣含量高造成入口滤网易堵塞，导致断流形成。滤网目数选择不合理，进入泵内的灰渣颗粒量大，摩擦副磨损加剧。泵入口滤网堵塞或过流不畅引起摩擦副干磨，并最终咬合在一起，这对高速运转中的轴来说，受到的冲击最大。拆卸后的滤网见图6。
图6 拆卸后的滤网
3) 从泵端联轴器滚键的损坏程度分析，摩擦副咬合后，电机仍高速运转，最终将轴扭断。拆卸后的滚键处见图7。
图7 拆卸后的滚键处
2 结语
对于输送含灰渣颗粒介质的多级离心泵， 泵制造商选型时应选用不带平衡盘、平衡鼓等利用间隙调整平衡轴向力的平衡机构(原泵无平衡机构)的自平衡型式多级泵【3】。考虑泵轴及摩擦副材料耐磨性，应选用硬度高的材料，堆焊喷涂耐磨涂层。为应对灰渣含量较高和需选用高目数滤网的矛盾，现场应经常检查泵入口滤网是否堵塞。可以设置压差变送器进行检测，同时入口配双路过滤器结构方便检修，防止泵入口断流导致抽空抱死等严重事故发生。
