蜡油离心泵泵轴及叶轮失效分析

发布时间：2007-12-16 11:41:42点击率：0

技术类别：机械技巧

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150m，体积流量200m³/h，转速2950r/min，蜡油密度0.919kg/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，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，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

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。

图3　疲劳裂纹扩展区的疲劳条纹

　　(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；q_V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1200。从而计算可得Δh=7.4m。
　　有效净正吸入压头H_g可用下式核算：

式中，H_g为有效的净正吸入压头，m；p₁为泵入口处的压力，Pa；v₁为泵入口处的平均流速，m/s；p_v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；H_f为管路压头损失，m。
　　在计算过程中，取H_f=6m，查得蜡油在此条件下的饱和蒸汽压为169kN/m²，从而计算可得H_g=11.9m。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=1.5～2mm，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

上一个：离心泵的调节方式与能耗分析