于 峰

(中國石油化工股份有限公司金陵分公司，江蘇南京 210033)

某熱電廠凝結(jié)水泵軸斷裂原因分析

于 峰

(中國石油化工股份有限公司金陵分公司，江蘇南京 210033)

某熱電廠功率為100 kW轉(zhuǎn)速為1 400 r/min的凝結(jié)水泵使用6 a后，6臺中的1臺泵軸發(fā)生斷裂，斷裂時斷口平整，垂直于軸向，斷口正中心有一徑向裂紋。通過軸體材料的化學(xué)分析、機(jī)械性能分析及相應(yīng)的宏觀和微觀觀察分析，發(fā)現(xiàn)凝結(jié)水泵軸材質(zhì)為45號鋼，但并沒有經(jīng)過正常的調(diào)質(zhì)處理，強(qiáng)度偏低;該斷軸起源于軸心的冶金缺陷，后以扭轉(zhuǎn)疲勞方式擴(kuò)展至最后斷裂。根據(jù)以上分析結(jié)果，提出相應(yīng)的熱處理工藝，并建議對軸體作必要的無損檢測。

凝結(jié)水泵 軸斷裂 原因分析 預(yù)防措施

1 凝結(jié)水泵軸斷裂

某熱電廠凝結(jié)水泵共有6臺，均已使用6 a。泵的電機(jī)功率為100 kW，軸分為二段，靠鏈連接。軸長4.375 m，鏈直徑42 mm，軸實際外徑為31 mm。電機(jī)轉(zhuǎn)速1400 r/min，斷裂的軸的宏觀形貌見圖1。斷口齊平，垂直于軸向。斷口上區(qū)分二部分，中心部分直徑為8 mm，軸斷口正中心有一徑向裂紋，離軸心1 mm基本上沿徑向分布3 mm。此裂紋應(yīng)為軸向缺陷，斷口已經(jīng)銹蝕。

圖1 凝結(jié)水泵軸的斷裂宏觀形貌Fig.1 Fracture appearance of condensate pump shaft

2 宏觀觀察與分析

2.1 斷口的宏觀觀察

斷軸斷口表面清洗后，進(jìn)一步觀察，看到了斷軸中心有一條裂紋，在裂紋周圍仍有細(xì)小孔洞，確定此處為這次軸的斷裂源(見圖2)。

斷裂是從心部的裂紋開始的，斷面已經(jīng)破壞并發(fā)生銹蝕。

2.2 斷軸的化學(xué)成分檢測

檢測取斷軸的樣品的化學(xué)成分，并與國標(biāo)進(jìn)行比較，結(jié)果見表1。

圖2 斷口的宏觀形貌Fig.2 Macro appearance of broken shaft's fracture sections

表1 斷軸的化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Chemical composition analysis result of the broken shaft w，%

由所檢測的結(jié)果可以判定，原凝結(jié)水泵軸材料為普通的45號鋼，化學(xué)成分符合國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 斷軸材料的力學(xué)性能測定

金屬的拉伸試驗是檢驗金屬材料力學(xué)性能普遍采用的一種極為重要的方法。金屬的拉伸試驗及其測得的性能指標(biāo)，是研究金屬材料使用壽命的主要工具之一。由此，采用拉伸試驗來確定金屬力學(xué)性能四大指標(biāo)(屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率和相對伸長率)。

取斷軸的一段加工成抗拉試樣工件，依GB/T288-2002標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行力學(xué)性能測定，并與45號鋼的標(biāo)準(zhǔn)(GB699-88)進(jìn)行比較，結(jié)果見表2。

表2 斷軸的力學(xué)性能檢測結(jié)果Table 2 Mechanical performance testing result of the broken shaft

從所測得的力學(xué)性能可以判斷該軸強(qiáng)度雖然滿足45號鋼的GB699-88力學(xué)性能要求，但其屈服應(yīng)力σp0.2偏下限。兩根試樣的力學(xué)性能差別較大。

淬火后高溫回火的熱處理方法，也就是調(diào)質(zhì)處理，可以使鋼的性能得到很大程度的調(diào)整，其強(qiáng)度、塑性和韌性都較好，具有良好的綜合機(jī)械性能。調(diào)質(zhì)處理的45號鋼的屈服應(yīng)力一般可達(dá)到500 MPa以上。

3 斷軸的微觀觀察與分析

3.1 金相顯微鏡的觀察

取斷軸斷口附近樣品進(jìn)行金相顯微鏡的觀察。斷口截面樣品的金相顯微鏡觀察形貌見圖3。未浸蝕的斷口中心處存在裂紋，裂紋內(nèi)有氧化物及孔洞。

浸蝕后的金相組織見圖4。顯微組織為珠光體+沿晶界分布的鐵素體及魏氏組織(見圖5和圖6)。可判斷該軸鍛后進(jìn)行過正火處理，而不是一般要求的調(diào)質(zhì)處理。

圖3 斷口截面底部金相顯微鏡觀察Fig.3 Metallographic microscope observation at the bottom of fracture section

圖4 浸蝕后的金相顯微組織Fig.4 Metallographic microstructure after etching

3.2 斷口的掃描電鏡觀察

從斷口可以看出，由于凝結(jié)水泵軸在斷裂后仍在運(yùn)轉(zhuǎn)，使已斷裂的軸口發(fā)生對磨，斷口破壞。

斷口在低倍的掃描電鏡中所觀察的形貌見圖7。可以看出有圓周狀的痕跡，但該斷口中心突出，在突出部位的凹處的形貌見圖8。這部分?jǐn)嗫陔m然表面已經(jīng)銹蝕，但還是可以看出其開裂的形貌——解理開裂。在解理的中間還出現(xiàn)孔洞。

在偏離中心部分的斷口的形貌見圖9。該部位的斷口呈明顯的剪切斷口，有明顯拉長的韌窩存在——在剪應(yīng)力作用下的扭轉(zhuǎn)疲勞痕跡。

圖5 由孔洞發(fā)展出來的裂紋Fig.5 Cracks grown from the pinholes

圖6 顯微組織中出現(xiàn)的魏氏組織ig.6 Widmanstatten structure appeared in the microstructure

圖7 斷口的低倍掃描電鏡觀察形貌Fig.7 Low magnification scanning electron microscopic observation of fracture

圖8 斷裂源處的掃描電鏡形貌Fig.8 Scanning electron microscopic observation of the fracture source

圖9 斷口區(qū)域局部放大的掃描電鏡形貌Fig.9 Partly magnified image on fracture area of scanning electron microscopic observation

4 原因分析

對斷裂凝結(jié)水泵軸斷口及材料的宏觀觀察和檢測，可以確定該軸為45號鋼，但力學(xué)性能偏低，屈服極限為380 MPa，一般作為軸件的鋼需要調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)處理后的屈服極限可達(dá)500 MPa以上。斷軸的顯微組織為珠光體+沿晶界分布的鐵素體+魏氏組織。該顯微組織是鍛后的正火組織，但冷卻速度控制得不正常，出現(xiàn)了二次鐵素體和魏氏組織，使軸的力學(xué)性能偏低。

根據(jù)對斷軸的宏觀和微觀的觀察與分析，斷軸的斷裂源在軸的心部，此心部有一明顯的裂紋及小孔洞，裂紋長3 mm。這正是引起這次軸斷裂的斷裂源——軸心部的裂紋與孔洞?？锥粗杏醒趸锎嬖凇＿@個缺陷是冶金缺陷。在扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用下，可產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋。

由斷裂源處的掃描電鏡觀察形貌看出，裂紋是以解理開裂形式出現(xiàn)，即使斷軸的力學(xué)性能測定表明軸心部位的塑性要比軸邊緣部位的塑性要差，但仍具有較好的塑性(δ=167，Ψ=41)。只有在受沖擊載荷(如在載荷較大的情況下啟動)下才出現(xiàn)解理開裂。斷面上的扭轉(zhuǎn)疲勞輝紋則是在較低載荷下緩慢擴(kuò)展至斷裂。這可從最后的撕裂的面積(80 mm)只占軸截面面積(804 mm)的1/10(見圖10)看出，正常運(yùn)轉(zhuǎn)的應(yīng)力是很低的。

圖10 泵軸的最后瞬時斷裂的面積(只占軸截面面積的1/10)ig.10 Final instantaneous fracture area of pump shaft

實踐表明，金屬若長期處于交變應(yīng)力下，雖然最大工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服點(diǎn)應(yīng)力，也有可能發(fā)生驟然斷裂。而且，即使是塑性較好的材料，斷裂前也無明顯的塑性變形，即產(chǎn)生疲勞破壞。疲勞破壞實質(zhì)上是由疲勞裂紋源的形成、疲勞裂紋的擴(kuò)展以及最后的脆斷這三個階段所組成的破壞過程。

1.2.4.1 毛細(xì)管的處理 毛細(xì)管使用前，按順序用超純水、甲醇、超純水沖洗20、20、3 min，再分別用1 mol/L NaOH活化10 min、0.1 mol/L NaOH活化40 min，最后用超純水、緩沖溶液分別沖洗5、10 min即可。每次進(jìn)樣前都應(yīng)分別用0.1 mol/L NaOH沖洗5 min，超純水沖洗3 min，緩沖溶液沖洗5 min。

各種熱處理缺陷(如脫碳、氧化、淬火裂紋等)嚴(yán)重降低疲勞性能。這些缺陷往往使表面形成拉應(yīng)力并使材質(zhì)弱化，而易在循環(huán)載荷作用下形成疲勞源。熱處理組織對疲勞性能極為敏感，采用良好的熱處理制度進(jìn)行表面熱處理是提高疲勞性能的有效途徑之一。

超聲波探傷可以揭示金屬內(nèi)部的面積型缺陷，如裂紋、白點(diǎn)、分層和焊縫中的未熔合等等;渦流探傷能發(fā)現(xiàn)裂紋、折疊、凹坑、夾雜、疏松等表面和近表面缺陷等。

5 結(jié)論與預(yù)防措施

5.1 結(jié)論

經(jīng)過對斷裂凝結(jié)水泵軸材質(zhì)和斷口的檢測與分析，可以得出如下結(jié)論:

(1)凝結(jié)水泵軸材質(zhì)為45號鋼，但并沒有經(jīng)過正常的調(diào)質(zhì)處理，強(qiáng)度偏低;

5.2 預(yù)防措施

(1)建議選擇優(yōu)質(zhì)的45號鍛鋼作為軸材料，同時交貨狀態(tài)應(yīng)為調(diào)質(zhì)處理，使其材料的屈服強(qiáng)度高于500 MPa，熱處理制度為850℃ ×30`水淬+510℃ ×30`回火，HB在254以上;

(2)軸應(yīng)經(jīng)過超聲或渦流探傷，避免缺陷存在。

［1］馮維明.材料力學(xué)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2010:177-173，293-299.

［2］魏文光.金屬的力學(xué)性能測試［M］.科學(xué)出版社，1980:2-47，213-235.

［3］《熱處理手冊》編委會.熱處理手冊第四分冊［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，1980:152-179，261-283.

［4］國家機(jī)械工業(yè)委員會統(tǒng)編.無損檢測技術(shù)［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，1988:29-44.

Analysis of Cracking of Condensate Pump Shaft in a Thermal Power Plant

Yu Feng
(SINOPEC Jinling Petrochemical Company，Nanjing，Jiangsu 210033)

The shaft of one of 6 condensate water pumps with a power of 100 kW and speed of 1 400 r/min in a thermal power plant fractured after 6 years’operation.The fracture was flat and perpendicular to axial，and there was a radial crack in the middle of fracture.The chemical analysis，mechanical analysis and corresponding macro and micro analysis found that the 45#steel material for condensate water pump had not been properly treated by quenching and tempering and the strength was low.The metallurgical defects from center of shaft developed，leading to final fracture.The corresponding heat treatment process is proposed and non－destruction examination is recommended for shaft.

condensate water pump，shaft fracture，cause analysis，preventive measures

A

1007－015X(2012)02－0038－04

2012－01－09。

于峰(1969－)，女，工程師。1991年畢業(yè)于四川大學(xué)(原成都科技大學(xué))化工設(shè)備與機(jī)械專業(yè)，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位?，F(xiàn)在該公司機(jī)動處工程科從事計劃管理工作。E-mail:yuf.jlsh@sinopec.com。

(編輯 張向陽)