LNG接收站高压泵电机端盖国产化改进

2021-09-05吴永忠

设备管理与维修 2021年13期

关键词：热应力共晶国产化

吴永忠

（广东大鹏液化天然气有限公司，广东深圳 518048）

0 引言

2016年，某LNG接收站EBARA 高压泵P-1105G 大修时发现出口泵盖内侧存在3/4 圆周裂纹，经过PT 检测，确认裂纹在内部扩展较深，如图1 所示。

图1 电机端盖裂纹

电机端盖腔内工作压力9.0 MPa，为承压部件，可视为压力容器。根据ASME 第viii 分篇和《压力容器监察规程》等标准规范的规定，直接判废。为保障运营生产，对该泵电机端盖实施了国产化改进。

1 裂纹成因分析

1.1 金相观察

使用线切割机在试样上分别切取SEM 试样、金相试样和XRF 试样，试样为裂纹位置附近试样，进行荧光光谱X 射线检测和金相观察。

观察试样在50×和100×下进行的金相组织发现，金相组织中，浅黄色的大块组织为基体α 固溶体，聚集的点状浅色组织为共晶硅，少数小的块状浅色组织为初晶硅，如图2 和图3 所示。同时，试样上均有不同程度的黑色孔洞（疏松），且孔洞尺寸较大，肉眼即可观察到，孔洞形状也并不规则。裂纹的扩展和孔洞类似，不会穿过基体α 固溶体，多是沿着共晶硅组织扩展，导致裂纹形状不规则，裂纹粗细也不均匀。

图2 试样（有裂纹试样）的50×金相照片

图3 试样不同位置100×金相照片

1.2 试样SEM 分析

使用超声波和酒精清洗试样，采用Zeiss-Supra55 型扫描电镜观察试样（有裂纹试样），并对试样进行EDS 能谱分析。

（1）试样SEM 照片（图4）。从照片中可以看出，在未出现裂纹和出现裂纹的区域上，都存在大量细小的白色颗粒状杂质。进一步观察裂纹区域发现，裂纹粗细不均匀，开裂深度也较浅，裂纹内部还存有较多的圆球状颗粒。

图4 试样1（有裂纹试样）SEM 照片

（2）试样EDS 能谱分析。从EDS 能谱分析结果中可以发现，裂纹附近组织的成分也是以Al 为主，为基体α 相。裂纹内部颗粒以及球状颗粒的成分主要由O、Si、Al 组成。推测这些颗粒主要是Al 或Si的氧化物，各位置未检测到具有腐蚀性的元素。

1.3 断口形貌分析

超声清洗后，观察断口形貌可以发现，断口表面仍然附着有较多细小的白色球状颗粒，断口形貌以大小不一的韧窝为主，属于韧性断裂，如图5所示。

图5 SEM 下断口形貌观察

1.4 XRF 成分分析

在试样上切取一块没有裂纹的试样2-1，使用200#～600#水砂纸研磨试样内表面。研磨至光亮后进行XRF 成分分析，分析结果见表1。铝合金A356.0-T6 各元素标准成分见表2。XRF 分析结果表明，该试样中的Si 含量高于标准规定的化学成分值。

表1 XRF 试样的测试结果

表2 A356.0-T6 标准成分

1.5 试样显微硬度分析

使用维氏硬度计分别对试样1（有裂纹试样）和试样2-2（无裂纹试样）进行硬度测试。从显微硬度测试结果可以看出，试样1的两组硬度平均值分别为91.3 HV 和93.1 HV，试样2-2的平均硬度达到118.2 HV。试样1的两组硬度明显低于试样2-2的硬度。另一方面，在试样1的裂纹两侧，硬度值也稍有不同，一侧硬度值较低，另一侧硬度值则稍高一些。

1.6 结果分析及试验结论

综合金相实验、SEM 实验、XRF 实验和硬度测试实验的结果，电机端盖材料组织内部存在较多孔洞。通过金相以及SEM 观察，这些孔洞形状较不规则，多有棱角，孔洞位置都集中在共晶硅以及初晶硅组织上，在基体α 相上几乎没有孔洞。电机端盖的介质是LNG，工作温度-158.6 ℃。在设备运转与停机过程中，电机端盖温度从-158.6 ℃上升到室温；停机到运转过程中，电机端盖温度又从室温降到工作温度-158.6 ℃，如此大的温度变化，电机端盖存在一定热应力。由于孔洞在组织内部属于不连续的缺陷，而且其形状不规则且有棱角，因此很容易成为热应力集中的位置。当集中的热应力值大于孔洞周围的强度值时，便会形成裂纹源。随着热应力的不断作用，裂纹沿着共晶硅组织逐渐延伸，最终形成电机端盖内侧表面的裂纹。

2 电机端盖国产化改进

2.1 力学性能

电机端盖铸件的力学性能不应低于表3 要求。

表3 主要力学性能

2.2 有限元分析及强度计算

对电机端盖进行有限元分析。通过仿真可知，电机端盖在打压载荷作用下产生的最大膜应力σm=54.287 MPa，最大膜加弯曲应力σm+σb=70.679 MPa。电机端盖材料在工作温度下的材料许用应力S=59.3 MPa。电机端盖打压载荷作用下的结构应力满足σm＜S，σm+σb＜1.5 S=88.95 MPa，电机端盖强度满足打压载荷作用下的设计要求。由材料特性可知，在低温工作状况下材料许用应力更高，加上电机端盖工作压力比打压载荷压力低，因此电机端盖在工作条件下能满足强度要求。