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真空设备/泵 |
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蜡油离心泵泵轴及叶轮失效分析 |
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作者：杨火生 黄春鸾 |
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关键词：离心泵；泵轴；叶轮
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。泵轴端有一M24×1.5的螺纹，用于固定叶轮。泵扬程150 m，体积流量200 m3/h，转速2 950 r/min，蜡油密度0.919 kg/m3。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)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 图3 疲劳裂纹扩展区的疲劳条纹
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)=0.119%, w(P)=0.015%,w(S)=0.030%,从化学成分看，碳和锰的含量偏低。
(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：
式中，n为转速，r/min；qV为体积流量，m3/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1 200。从而计算可得Δh=7.4 m。
有效净正吸入压头Hg可用下式核算：
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/s2；ρ为油的密度，kg/m3；Hf为管路压头损失，m。
在计算过程中，取Hf=6 m，查得蜡油在此条件下的饱和蒸汽压为169 kN/m2，从而计算可得Hg=11.9 m。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=1.5～2 mm，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：
高明泉.循环水泵叶轮汽蚀的原因及预防［J］.石油化工设备技术，1986，7(1)：42-43.(end)
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(12/1/2004) |
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