泵轴及叶轮失效分析

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1、蜡油离心泵泵轴及叶轮失效分析我公司炼油二套常减压车间的蜡油离心泵为悬臂离心泵，其泵轴的设计要求材质为35CrMo，调质处理，硬度为HB=269～302。叶轮材质为G25钢，静平衡允差为8g。泵轴端有3一M24×1.5的螺纹，用于固定叶轮。泵扬程150m，体积流量200m/h，转速2950r/min，3蜡油密度0.919kg/m。从1995年12月开始，该泵发生多起断轴事故，断裂部位都在轴端螺纹退刀槽处，断轴时间间隔越来越小，最短只有一个月左右。同时叶轮表面多处出现蜂窝状穿孔，影响了装置的正常运转。1分

2、析计算1.1泵轴(1)断口宏观分析对失效泵轴断口部位进行宏观观察，发现宏观断口表面可明显分为3个区：疲劳裂源区、疲劳裂纹扩展区和最后断裂区。仔细观察轴的边缘可看到有几个一次疲劳裂纹台阶，说明该断口的疲劳裂纹源有多处，这些疲劳裂纹源反映了轴端退刀槽处应力集中比较严重。疲劳裂纹扩展区占断口总面积的大部分区域，最后断裂区域很小，说明此轴肩处所受的拉应力较小。由于此处过渡圆角半径R非常小，会产生较大的应力集中。循环载荷作用在应力集中最大的螺纹退刀槽部位，使泵轴发生疲劳断裂。循环载荷系叶轮失重引起的动不平衡产生

3、的轴向冲击力。叶轮长期未更换，引起的动不平衡愈加严重，泵轴断裂时间愈来愈短。(2)金相分析在断口附近取样分析，发现该轴金相组织主要为回火屈氏体，组织中仍可以看到有许多板条状马氏体形态，见图1。说明轴在进行调质处理时，高温回火温度或时间不到位，没有获得回火索氏体组织，造成轴的缺口敏感性提高，加快了疲劳裂纹的萌生和扩展。图1轴金相组织350×(3)硬度试验取样进行硬度试验，洛氏硬度HRC值分别为31、32、31、34，这些值比图样中规定的HB值偏高，进一步表明其组织为非回火索氏体。(4)扫描电镜(SEM)

4、分析取样后用扫描电子显微镜分析了泵轴断口的微观形貌，可以看到在疲劳裂源区和疲劳裂纹扩展区存在疲劳条纹，见图2和图3，说明失效是由于疲劳断裂引起的，疲劳裂纹扩展的微观形貌是解理花样。图2疲劳裂源区附近的疲劳条纹1.2叶轮(1)宏观观察和分析泵的吸入口叶轮表面存在多处蜂窝状穿孔，轮毂表面存在明显摩擦痕迹。叶轮前后表面密布蚀坑，铸造组织也比较疏松。从整体装配来看，叶轮失重穿孔部位与轴端疲劳裂源点相对应。(2)化学成分分析各种成分的含量为：w(C)=0.162%,w(Si)=0.218%,w(Mn)=0.11

5、9%,w(P)=0.015%,w(S)=0.030%,从化学成分看，碳和锰的含量偏低。图3疲劳裂纹扩展区的疲劳条纹(3)金相分析组织特征为块状与针状的铁素体＋珠光体，是典型的魏氏体组织，见图4。晶粒粗大，平均晶粒度为3级。其中珠光体含量较低，这与含碳量低有关，且晶间有夹杂物存在。这说明叶轮铸造质量不良，存在大量缩松，且金相组织不均匀，偏析比较严重，从而导致了金属表面状态不均匀，而非金属夹杂物的存在使金属中形成缝隙，造成了物理上的不均匀和不完整性。由于蜡油温度较高，酸值也较高，且含有硫等元素，使得夹杂物

6、周围成为点蚀的起源点。从叶轮表面的点蚀可以推断，局部穿孔部位是夹杂物富集的地方，锰含量的偏低可能就是这种富锰硫化物聚集造成的。同时，金相组织中的偏析，造成了晶界的弱化，从而使得点蚀与晶间腐蚀的结合加速了局部的腐蚀。图4叶轮金相组织100×(4)泵净正吸入压头核算由于泵的允许汽蚀余量Δh未知，在此由吸入比转数求解：3式中，n为转速，r/min；qV为体积流量，m/min；S为泵的吸入比转数。对于普通设计的离心泵，不管比转数多大，均可取1200。从而计算可得Δh=7.4m。有效净正吸入压头Hg可用下式核算

7、：式中，Hg为有效的净正吸入压头，m；p1为泵入口处的绝对压力，Pa；v1为泵入2口处的平均流速，m/s；pv为输送温度下油的汽化压力，Pa;g为重力加速度，m/s；3ρ为油的密度，kg/m；Hf为管路压头损失，m。2在计算过程中，取Hf=6m，查得蜡油在此条件下的饱和蒸汽压为169kN/m，从而计算可得Hg=11.9m。由以上计算说明，在正常操作情况下，不可能发生汽蚀。2改进措施①增大退刀槽过渡圆角半径R，建议R=1.5～2mm，以改善该部位应力集中的程度。②严格按照图样要求执行热处理工艺，保证轴获

8、得良好的综合力学性能。③在安装叶轮时，螺母的预紧力要适当，不宜太大。④对叶轮进行表面处理以提高耐蚀性能。3结语对蜡油离心泵的泵轴和叶轮按上述措施进行改造后，于1997年5月装置大修后安装投用，至今已运行1年多，运转良好，没有发生断轴事故，证明改造是成功的。作者简介：杨火生(1962-)，男，湖北天门市人，工程师，硕士学位，现从事静设备的研究、失效分析、安全评定及压力容器检验等方面工作。作者单位：镇海炼化股份有限公司研究中心，浙江宁波315207参考文献：