焦化原料泵泵轴的断裂失效分析及其应对措施.pdf

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1、石油和化工设备-38-技术交流2017年第20卷技术交流焦化原料泵泵轴的断裂失效分析及其应对措施12宋赛中，王和慧（1.中国二十冶集团有限公司，上海201999）（2.华东理工大学机械与动力工程学院，上海200237）[摘要]某焦化原料泵在输送超稠油时出现泵轴断裂事故，本文通过材质、金相检验，断口宏观特征观察及微观形貌分析等方法，对泵轴失效原因进行了分析。结果表明，泵轴材质化学成分和金相组织均符合标准，在键槽侧面中部发现凹坑裂纹源，断口有明显的疲劳辉纹和瞬断区，为疲劳断裂的典型特征，原因是超稠油黏度和阻力较大、泵轴在运行过程

2、中由于启动冲击和载荷波动造成裂纹疲劳扩展直至断裂。为防止类似事故发生，文章提出了有效应对措施。[关键词]焦化原料泵；泵轴；断裂；裂纹疲劳某公司焦化原料泵为公司联合焦化装置上原口平齐，且断口恰好处于键槽的弧形部位，断面料或给重油工段倒油。该泵为双螺杆泵，规格型基本与轴垂直，无明显的塑性变形，呈现出脆性号为WB.5Z-6720Mb1W80，转速为720rpm，扬程断裂的宏观特征。图2为泵轴的断口处宏观形貌，3为250m，流量为200m/h，功率为196kw。该泵于观察可见断裂面整体上较为平整、细腻，存在多2015年8月更换了轴、

3、螺旋套等部件，更换后运转条明显的疲劳辉纹，均以键槽处为中心向外发了4000h左右，2016年10月检修时发现该泵机械密散。疲劳辉纹是略呈弯曲弧线的沟槽状花样，与封轴承、轴均正常，运转15天后发生断裂。泵轴裂纹扩展方向近似垂直，是裂纹扩展时留下的微#断裂时正为焦化装置上原料，泵入口连接110罐超痕迹。断口上相对较为粗糙、向外凸出的较小区稠油。域为最终瞬断区。裂纹源、疲劳辉纹和瞬段区如泵轴服役温度为50~60℃，泵出口工作压图2中的箭头所示。上述断口特征完全符合疲劳断[3,4]力1.3MPa，当泵输送大混合油时，大混合油的裂机理

4、。2运动黏度为：132mm/s，当泵输送超稠油时，2超稠油的运动黏度为：3213mm/s。该泵材质为0Cr17Ni4Cu4Nb，系由铜、铌、铬构成的沉淀、硬化、马氏体不锈钢，材料具有高强度、硬度和抗腐蚀等特性。泵轴的制造是先锻造棒料，再进行车削磨制加工。依据上述功率和转速，该泵轴在正常匀速运转情况下的最大扭转切应力只有20~30MPa，完全在材料强度允许范围内。本文通过对断裂泵轴的材质化学成分、金相组织及断口进行检验分析，结合实际运行工况，[1,2]确定泵轴的失效机理，以避免类似事故发生。图1断裂泵轴宏观照片1理化检验1.1

5、宏观断口分析作者简介：宋赛中（1974—），男，安徽枞阳人，本科学历，教图1为开裂泵轴的宏观照片，可以看出轴的断授级高级工程师，从事机电设备研究、施工与维护工作。第3期宋赛中等焦化原料泵泵轴的断裂失效分析及其应对措施-39-1.2化学成分分析在断裂泵轴的断口上截取试样进行化学成分分析，数据结果见表l，所测元素含量均符合GB/T1220-2007《不锈钢棒》中关于0Cr17Ni4Cu4Nb钢标准值的技术要求。1.3金相分析在断裂泵轴横截面上取样，从轴心到边缘部位进行金相检测，金相取样部位见图3。试样1位于轴的外缘，试样3位于轴

6、的心部，试样2位于轴图2泵轴断口处宏观照片外缘和心部之间。表1断轴化学成分测试结果元素CSiMnCrNiPSCuNb测试值0.0300.380.6416.054.230.02≤0.0053.640.29标准值≤0.070≤1.00≤1.0015.00～17.503.00～5.00≤0.040≤0.0303.00～5.000.15～0.45图3金相试样取样部位将试样打磨、抛光并进行侵蚀后在金相显微镜下观察，金相照片见图4~图6。可以看出，显微组织为马氏体+弥散分布的强化相+铁素体，显微组织正常，符合0Cr17Ni4Cu4Nb材

7、料的金相组织标准图谱。图4试样1金相组织图5试样2金相组织石油和化工设备-40-技术交流2017年第20卷图6试样3金相组织1.4断口微观分析过程留下了明显刀痕，经波动式碾压，萌发裂纹对断口进行扫描电镜观察。首先观察裂纹源源。因无法看到服役前的键槽侧面，故是否存在处（见图3断口A处和图7裂纹源），SEM照片如图加工刀痕为不确定的因素。(2)在泵轴运行过程7所示。从图中可以看出，键槽受压的侧面中部存中，因扭矩波动范围较大，导致键槽侧面受到的在凹坑，成为裂纹扩展的起源点。进一步对键槽挤压载荷波动较大，经反复波动式碾压，产生表侧面

8、凹坑进行能谱分析，没有检测出腐蚀产物，面疲劳破坏；另外若启动过快，也会对表面产生说明凹坑不是由腐蚀产生的。键槽侧面凹坑，不较大的冲击载荷，局部掉块后形成凹坑。凹坑裂是在键槽底部尖角处，故也排除了尖角应力集中纹源进一步向泵轴内部疲劳扩展。导致裂纹起源的因素。疲劳扩展区（见图3断口B处和图7裂