陳志雄

(中國(guó)石化中科(廣東)煉化有限公司，廣東 湛江 524072)

失效泵軸為某煉化企業(yè)焦化裝置高壓除焦水泵的泵軸。泵軸用于支撐軸上葉輪等零件。該水泵已連續(xù)運(yùn)行8年，平均每天工作約5 h。高壓水泵通過多級(jí)葉輪將水介質(zhì)的揚(yáng)程不斷增加，從而提高出口處壓力。泵內(nèi)介質(zhì)主要是裝置除焦水。失效泵軸材質(zhì)為馬氏體沉淀硬化不銹鋼17-4PH。17-4PH不銹鋼是添加銅、鈮等元素的沉淀硬化型鋼種，具有良好的機(jī)械性能、耐酸腐蝕性能，常用于制造軸類、汽輪機(jī)等機(jī)械零部件。高壓水泵泵軸在運(yùn)行過程中會(huì)受到一定的扭轉(zhuǎn)、振動(dòng)等疲勞應(yīng)力作用。

本文擬對(duì)失效泵軸進(jìn)行材質(zhì)化學(xué)成分分析、顯微結(jié)構(gòu)和金相組織分析、泵軸斷口分析、機(jī)械性能測(cè)試，此外進(jìn)行泵軸的應(yīng)力計(jì)算及有限元分析、除焦水泵水介質(zhì)腐蝕性分析，查找泵軸斷裂失效原因，并制定出相應(yīng)措施，以確保設(shè)備正常運(yùn)行[1,2]。

1 失效泵軸的結(jié)構(gòu)尺寸及斷裂位置

圖1顯示了泵軸的結(jié)構(gòu)尺寸及斷裂位置。泵軸為長(zhǎng)桿狀，長(zhǎng)2516 mm，最大直徑108 mm。軸徑比較均勻，無明顯尺寸變化。泵軸在兩段葉輪相鄰的凹槽處發(fā)生斷裂(退刀槽，用于安裝卡環(huán)和級(jí)間軸套)。

a 泵軸尺寸 b 泵軸斷裂位置

2 水泵泵軸失效分析

2.1 試樣取樣點(diǎn)的選擇

經(jīng)綜合考慮，選擇圖2所示的4個(gè)取樣點(diǎn)利用線切割加工方式取樣，用于化學(xué)成分、顯微結(jié)構(gòu)分析以及金相組織分析[3-8]。

圖2 各試樣的取樣位置

2.2 泵軸的化學(xué)成分分析

主要采用Quanta-200環(huán)境掃描電鏡及其附屬設(shè)備Genesis能譜、奧林巴斯合金元素分析儀DPO-2000進(jìn)行聯(lián)合分析，力求準(zhǔn)確檢測(cè)出失效泵軸的化學(xué)成分。表1為泵軸取樣點(diǎn)材質(zhì)的能譜分析結(jié)果。

表1 取樣點(diǎn)材質(zhì)的能譜化學(xué)成分分析結(jié)果 w%

綜合能譜化學(xué)成分分析和合金元素分析儀的檢測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)除少數(shù)點(diǎn)外，其他取樣點(diǎn)的主要合金元素均在17-4PH鋼標(biāo)準(zhǔn)范圍，說明泵軸斷口材質(zhì)的主要合金元素與標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)基本一致。但該材質(zhì)也表現(xiàn)出一定的微觀不均勻性。合金中還存在少量的Ti元素，Ti能與C、N形成碳化物、氮化物和碳氮化物等沉淀相，此類化合物能在高溫下溶解，低溫下析出，并抑制晶粒長(zhǎng)大及沉淀強(qiáng)化作用。

2.3 泵軸材質(zhì)的顯微結(jié)構(gòu)分析

依據(jù)圖2的取樣部位用線切割方式進(jìn)行取樣，經(jīng)過打磨拋光，用掃描電鏡對(duì)各取樣點(diǎn)材料材質(zhì)進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)分析。圖3為各試樣的電子顯微結(jié)構(gòu)。

a 1#試樣 b 2#試樣 c 3#試樣 d 4#試樣

由圖3可以看出，斷面取樣處的2#試樣、3#試樣和4#試樣材質(zhì)比較均勻，無明顯雜質(zhì)。而1#試樣表面則有極少量雜質(zhì)，需用掃描電鏡及其附屬設(shè)備的能譜進(jìn)行進(jìn)一步分析，詳見“斷口分析”。

2.4 泵軸材質(zhì)的金相組織分析

用王水腐蝕各試樣，再分別用掃描電鏡和數(shù)字光學(xué)顯微鏡進(jìn)行電子金相組織和光學(xué)金相組織分析。

1)泵軸的電子金相組織分析。圖4為各試樣的電子金相組織照片。

a 1#試樣 b 2#試樣 c 3#試樣 d 4#試樣

圖4顯示各試樣的金相組織為馬氏體，其表面均勻地分布著數(shù)量較多的析出顆粒，此為沉淀強(qiáng)化相質(zhì)點(diǎn)。沉淀強(qiáng)化相質(zhì)點(diǎn)對(duì)馬氏體基體起強(qiáng)化作用，提高了材質(zhì)強(qiáng)度。

2)光學(xué)金相組織分析。圖5為各試樣的光學(xué)金相組織照片。由圖5可知，各試樣的取樣區(qū)域的光學(xué)金相組織及其表面析出強(qiáng)化相分布、形態(tài)與電子金相組織一致。根據(jù)圖5分析可知，泵軸材質(zhì)的金相組織主要為馬氏體。在馬氏體基體的表面分布數(shù)量眾多、大小比較均勻的沉淀強(qiáng)化相質(zhì)點(diǎn)。沉淀強(qiáng)化相提高了材質(zhì)的強(qiáng)度。馬氏體比較細(xì)小且均勻，有利于提高材質(zhì)的耐腐蝕性能。

a 1#試樣 b 2#試樣 c 3#試樣 d 4#試樣

2.5 斷口分析

1)斷口宏觀形貌分析。為便于分析，將失效泵軸的兩端斷口(以下稱為斷口A和斷口B)各分成兩個(gè)區(qū)域。圖6為 A、B斷口下半?yún)^(qū)宏觀形貌。在斷口附近的泵軸表面沒發(fā)現(xiàn)有微裂紋，也沒發(fā)現(xiàn)有小凹坑等表面損傷。顯然，兩端斷口均具有典型的疲勞斷口宏觀形貌特征。斷口的下半?yún)^(qū)為疲勞源區(qū)，共有2個(gè)，在 1#試樣取樣區(qū)及其附近區(qū)域，均位于斷口邊緣，即在軸凹槽的表面上。

圖7為兩個(gè)疲勞源交界處的層狀撕裂形貌。疲勞源交界處的層狀撕裂筋是由兩個(gè)疲勞源緩慢擴(kuò)展開裂，在交界處形成的。泵軸斷口的宏觀形貌反映了斷口斷裂的起源、發(fā)展，直至最終斷裂的基本信息。

2)斷口能譜分析。通過掃描電鏡對(duì)泵軸斷口的1#試樣附近區(qū)域進(jìn)行能譜分析。圖8為的1#試樣附近區(qū)域的微觀形貌及能譜分析。

圖8 1#試樣裂紋的微觀形貌及取樣點(diǎn)的能譜分析

由圖8可知，1#試樣所在區(qū)域表面存在一些冶煉時(shí)形成的夾雜物。1#試樣所在區(qū)域的Cr元素含量較高，所在區(qū)域均含有一定的Ti元素。Ti元素是較強(qiáng)的脫氧劑，當(dāng)鋼中加入少量的Ti，可提高鋼的強(qiáng)度；此外，Ti元素還可以促進(jìn)沉淀硬化相質(zhì)點(diǎn)的析出，增強(qiáng)材質(zhì)硬度。但Ti含量過高也會(huì)降低材質(zhì)韌性。

2.6 機(jī)械性能試驗(yàn)

1)顯微硬度測(cè)試。將4個(gè)試樣的取樣位置表面打磨平整，各取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行顯微硬度測(cè)試。測(cè)試條件：室溫，載荷為9.80665 N，載荷保持時(shí)間為150 s。顯微硬度測(cè)試結(jié)果見表2。由表2數(shù)據(jù)可知，各測(cè)試點(diǎn)的平均顯微硬度值在標(biāo)準(zhǔn)(ASTM A564/A564M—2013)范圍內(nèi)；1#試樣各取樣點(diǎn)的顯微硬度平均值明顯高于泵軸斷口其他區(qū)域材質(zhì)的平均值，這可能是由于區(qū)域的沉淀強(qiáng)化相對(duì)較多引起的。

表2 顯微硬度測(cè)試結(jié)果(HV)

2)拉伸強(qiáng)度測(cè)試。按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1―2010截取1#和2#兩個(gè)試樣，用YHS-229WJ拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)開展室溫拉伸強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果見表3。由表3可知，兩個(gè)試樣的抗拉強(qiáng)度分別為840，860 MPa，略低于930 MPa的標(biāo)準(zhǔn)值；下屈服強(qiáng)度分別為765,825 MPa，略高于727 MPa的標(biāo)準(zhǔn)值。

表3 室溫拉伸試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

2.7 水泵流體介質(zhì)腐蝕性檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)主要用硝酸銀滴定法進(jìn)行水質(zhì)氯化物的測(cè)定，用pH計(jì)測(cè)定酸堿值。水溶液中氯離子的質(zhì)量濃度較大，達(dá)82 mg/L。水溶液的pH為4.85，呈酸性。但是，由于泵軸材質(zhì)為17-4PH，具有較強(qiáng)的抗Cl離子腐蝕能力，而且上述分析測(cè)試中也沒發(fā)現(xiàn)Cl元素及其腐蝕痕跡，因此腐蝕失效不是主要形式。

2.8 應(yīng)力計(jì)算及有限元分析

1)應(yīng)力計(jì)算。通過計(jì)算，得到各個(gè)軸段的最大應(yīng)力、泵軸的危險(xiǎn)截面和斷裂截面的應(yīng)力，如圖9和10所示。圖10顯示：泵軸在額定工況下危險(xiǎn)截面和斷裂截面上的最大切應(yīng)力分別為47.37，7.43 MPa。軸件材質(zhì)為17-4PH，其屈服極限為930 MPa，因此，額定工況下的載荷不是軸件發(fā)生斷裂的直接原因。

圖9 各軸段的最大應(yīng)力 圖10 軸的危險(xiǎn)截面和斷裂截面的應(yīng)力

2)有限元分析。有限元分析包括對(duì)泵軸進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分、模型邊界條件施加等步驟。由于篇幅限制，本文重點(diǎn)對(duì)有限元分析結(jié)果進(jìn)行分析[9-11]。額定工況下軸件的位移云圖如圖11所示。由圖11可知，軸件的最大位移為0.455 mm，最大位移發(fā)生在翅片的最左端。

圖11 位移分析(位移效果放大100倍)

圖12的應(yīng)力云圖顯示：在額定工況下軸件的最大等效應(yīng)力為130.52 MPa(由應(yīng)力集中導(dǎo)致)，最大應(yīng)力發(fā)生在軸件的頸縮位置，詳見圖13。

圖12 應(yīng)力分析 圖13 最大應(yīng)力的發(fā)生位置

圖14為斷裂處橫截面上的應(yīng)力分布。由圖14可知，在結(jié)構(gòu)突變處存在應(yīng)力集中(如云圖中的箭頭指向部位)，所以斷裂位置在額定工況下的最大應(yīng)力為45.078 MPa。

圖14 軸的橫截面應(yīng)力分布

綜上所述，有限元分析軸段的表面應(yīng)力與理論分析中得到的截面最大應(yīng)力較為吻合，存在差異的原因是有限元計(jì)算考慮了結(jié)構(gòu)的重力、轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力以及軸承約束等因素；理論分析中斷裂處的最大應(yīng)力為7.43 MPa，而有限元分析中斷裂處的最大應(yīng)力為45.078 MPa。數(shù)值成倍增大的原因是有限元分析考慮了結(jié)構(gòu)突變而引發(fā)的應(yīng)力集中，這種結(jié)果與斷裂發(fā)生時(shí)的實(shí)際情況是一致的。由于最大應(yīng)力(130 MPa)遠(yuǎn)小于材料的屈服極限(930 MPa)，所以軸件在額定工況下的載荷不是引起軸件斷裂的直接原因。

3 解決對(duì)策及改進(jìn)措施

靠近泵軸表面局部區(qū)域存在冶煉夾雜物，造成材質(zhì)不均勻，降低了零件的機(jī)械性能，也極易產(chǎn)生應(yīng)力集中。此外，這些區(qū)域正處于泵軸退刀槽表面，為結(jié)構(gòu)突變處，應(yīng)力集中更加嚴(yán)重。在高壓水泵工況下，葉輪工作產(chǎn)生的多變載荷通過葉輪向泵軸傳遞，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間作用，上述區(qū)域就會(huì)形成開裂源。開裂源在循環(huán)載荷作用下逐漸擴(kuò)展，最終使泵軸發(fā)生斷裂。據(jù)此，可考慮采取下列措施加以防范：(1)嚴(yán)格執(zhí)行高壓水泵操作規(guī)程，防止過載運(yùn)行；(2)加強(qiáng)對(duì)供貨材質(zhì)質(zhì)量的監(jiān)控；(3)評(píng)估設(shè)備發(fā)生汽蝕的可能性，嚴(yán)格預(yù)防汽蝕發(fā)生。