張臣利，李建華， 薛 亮

(大連深藍泵業(yè)有限公司，遼寧 大連 116031)

某大型煤化工項目中的洗滌塔給水泵是氣化裝置主泵，輸送介質(zhì)含灰渣顆粒，選擇的是BB3型式自平衡多級泵產(chǎn)品(見圖1)，7級葉輪，首級雙吸。泵軸采用耐磨蝕和腐蝕的沉淀硬化不銹鋼17-4PH材質(zhì)。該泵穩(wěn)定運行近1年，在中控室及現(xiàn)場巡檢記錄中未出現(xiàn)任何異常的情況下，突然發(fā)生斷軸停車的嚴重事故。

1—軸承部件(非驅(qū))；2—軸；3—密封部件；4—泵體；5—泵蓋；6—節(jié)流蓋；7—節(jié)流襯套；8—泵體口環(huán)；9—輪轂口環(huán)；10—中間襯套；11—吸入襯套(左)；12—泵體口環(huán)(雙吸左)；13—泵體口環(huán)(雙吸右)；14—吸入襯套(右)；15—軸承部件(驅(qū))；16—葉輪口環(huán)(雙吸右)；17—葉輪(首級雙吸)；18—葉輪口環(huán)(雙吸左)；19—吸入軸套；20—卡環(huán)；21—葉輪(次級驅(qū))；22—中間軸套；23—葉輪口環(huán)(輪轂)；24—葉輪口環(huán)；25—葉輪(次級非驅(qū))；26—節(jié)流軸套

將泵解體后發(fā)現(xiàn)，斷裂位置在非驅(qū)側(cè)第二級葉輪輪轂根部，靠近中間軸套處，驅(qū)動側(cè)葉輪口環(huán)抱死，第7級葉輪前蓋板與泵體流道產(chǎn)生嚴重刮擦，聯(lián)軸器處滾鍵。氣化裝置流程見圖2，洗滌塔給水泵主要參數(shù)見表1。

圖2 氣化裝置流程

1 斷軸原因分析排查

1.1 泵軸材料分析

1.1.1 化學成分分析

斷軸材質(zhì)為17-4PH(國標牌號05Cr17Ni4-Cu4Nb)。對斷軸處取樣進行化學成分分析，見表2。結(jié)果顯示，其各項化學元素成分符合GB/T 1220—2007標準要求。

表1 洗滌塔給水泵主要參數(shù)

表2 斷軸材質(zhì)化學成分分析

1.1.2 力學性能分析

對斷軸取樣進行拉伸和硬度試驗，詳見表3。結(jié)果顯示，其各項力學性能符合GB/T 228—2002和GB/T 231—2002標準要求。

1.1.3 金相分析

對斷軸處取樣進行金相分析，分析報告見圖3。檢測報告顯示，金相組織為保留馬氏體位相的回火索氏體+帶狀分布鐵素體，符合相關(guān)標準要求。

圖3 金相分析報告

1.2 泵軸強度分析

根據(jù)軸上的載荷作彎矩圖、扭矩圖[如圖4a)～圖4b)所示]，計算各個截面的彎矩、扭矩【1】。

表3 力學性能分析報告

圖4 彎矩和扭矩

由圖4可以看出，較危險的截面為13截面。該截面的數(shù)據(jù)為：軸徑d=0.078 m；彎矩M1=448.7 N·m(軸向力)，M2=92.2 N·m(離心力)；扭矩Mn=1 193.4 N·m。

17-4PH材料的屈服極限為725 MPa，抗拉強度為930 MPa，對稱循環(huán)剪切強度極限為447 MPa，計算得軸的安全系數(shù)為32.2(許用值為[n]=17)，遠大于安全系數(shù)許用值。

因此該軸既滿足強度要求，也滿足疲勞強度要求。

1.3 斷口樣貌分析

斷軸處實物切口如圖5a)～圖5b)所示。

圖5 斷口樣貌分析

觀察斷口實物并與圖5b)所示的疲勞斷口樣貌對比來看，斷面與軸線基本垂直，且較為平整，顯示其為軸在無明顯塑性變形的情況下沿解里面劈裂而發(fā)生的脆性斷裂，而且該斷口上還分布著以鍵槽根部為中心的貝殼狀疲勞弧帶，顯示出疲勞斷裂的特征【2】。

疲勞斷口保留了整個斷裂過程的所有痕跡，記錄了很多斷裂的信息，具有明顯區(qū)別于其他任何性質(zhì)斷裂的斷口形貌特征，而這些特征又受材料性質(zhì)、應力狀態(tài)、應力大小及現(xiàn)場運轉(zhuǎn)情況的影響，由于材料原因在上述分析中已經(jīng)排除，因此問題集中在現(xiàn)場運轉(zhuǎn)狀況上。

1.4 現(xiàn)場運行狀態(tài)分析

1) 泵送介質(zhì)為灰水。拆檢時發(fā)現(xiàn)，附著在零件表面的粘性灰渣較多。從葉輪拆檢后的檢查結(jié)果來看，葉輪入口沒有汽蝕痕跡，高壓區(qū)摩擦副(4級和7級葉輪口環(huán)、中間軸套和襯套處)有明顯磨損痕跡。經(jīng)檢查，摩擦副最大直徑間隙為0.77 mm，高于設(shè)計值0.4 mm。間隙變大導致泵的軸向力發(fā)生變化，振動加劇，使泵的運轉(zhuǎn)處在非正常的工作狀態(tài)，加大了對軸的應力。

2) 現(xiàn)場泵入口濾網(wǎng)情況反映出灰渣含量較高且濾網(wǎng)目數(shù)過小?；以扛咴斐扇肟跒V網(wǎng)易堵塞，導致斷流形成。濾網(wǎng)目數(shù)選擇不合理，進入泵內(nèi)的灰渣顆粒量大，摩擦副磨損加劇。泵入口濾網(wǎng)堵塞或過流不暢引起摩擦副干磨，并最終咬合在一起，這對高速運轉(zhuǎn)中的軸來說，受到的沖擊最大。拆卸后的濾網(wǎng)見圖6。

圖6 拆卸后的濾網(wǎng)

3) 從泵端聯(lián)軸器滾鍵的損壞程度分析，摩擦副咬合后，電機仍高速運轉(zhuǎn)，最終將軸扭斷。拆卸后的滾鍵處見圖7。

圖7 拆卸后的滾鍵處

2 結(jié)語

對于輸送含灰渣顆粒介質(zhì)的多級離心泵， 泵制造商選型時應選用不帶平衡盤、平衡鼓等利用間隙調(diào)整平衡軸向力的平衡機構(gòu)(原泵無平衡機構(gòu))的自平衡型式多級泵【3】?？紤]泵軸及摩擦副材料耐磨性，應選用硬度高的材料，堆焊噴涂耐磨涂層。為應對灰渣含量較高和需選用高目數(shù)濾網(wǎng)的矛盾，現(xiàn)場應經(jīng)常檢查泵入口濾網(wǎng)是否堵塞。可以設(shè)置壓差變送器進行檢測，同時入口配雙路過濾器結(jié)構(gòu)方便檢修，防止泵入口斷流導致抽空抱死等嚴重事故發(fā)生。