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蠟油離心泵泵軸及葉輪失效后成功改造
www.igssdchemicals.com  2008-2-15  無錫中欣防腐設備有限公司


鎮海煉化股份有限公司煉油二套常減壓車間的蠟油離心泵為懸臂離心泵,其泵軸的設計要求材質為35CrMo,調質處理,硬度為HB=269~302。葉輪材質為G25鋼,靜平衡允差為8g。泵軸端有一M24×1.5的螺紋,用于固定葉輪。泵揚程150m,體積流量200m3/h,轉速2950r/min,蠟油密度0.919kg/m3。從1995年12月開始,該泵發生多起斷軸事故,斷裂部位都在軸端螺紋退刀槽處,斷軸時間間隔越來越小,最短只有一個月左右。同時葉輪表面多處出現蜂窩狀穿孔,影響了裝置的正常運轉。

1分析計算

1.1泵軸

(1)斷口宏觀分析對失效泵軸斷口部位進行宏觀觀察,發現宏觀斷口表面可明顯分為3個區:疲勞裂源區、疲勞裂紋擴展區和最后斷裂區。仔細觀察軸的邊緣可看到有幾個一次疲勞裂紋臺階,說明該斷口的疲勞裂紋源有多處,這些疲勞裂紋源反映了軸端退刀槽處應力集中比較嚴重。疲勞裂紋擴展區占斷口總面積的大部分區域,最后斷裂區域很小,說明此軸肩處所受的拉應力較小。由于此處過渡圓角半徑R非常小,會產生較大的應力集中。循環載荷作用在應力集中最大的螺紋退刀槽部位,使泵軸發生疲勞斷裂。循環載荷系葉輪失重引起的動不平衡產生的軸向沖擊力。葉輪長期未更換,引起的動不平衡愈加嚴重,泵軸斷裂時間愈來愈短。

(2)金相分析在斷口附近取樣分析,發現該軸金相組織主要為回火屈氏體,組織中仍可以看到有許多板條狀馬氏體形態,見圖1。說明軸在進行調質處理時,高溫回火溫度或時間不到位,沒有獲得回火索氏體組織,造成軸的缺口敏感性提高,加快了疲勞裂紋的萌生和擴展。

(3)硬度試驗取樣進行硬度試驗,洛氏硬度HRC值分別為31、32、31、34,這些值比圖樣中規定的HB值偏高,進一步表明其組織為非回火索氏體。

(4)掃描電鏡(SEM)分析取樣后用掃描電子顯微鏡分析了泵軸斷口的微觀形貌,可以看到在疲勞裂源區和疲勞裂紋擴展區存在疲勞條紋,見圖2和圖3,說明失效是由于疲勞斷裂引起的,疲勞裂紋擴展的微觀形貌是解理花樣。

1.2葉輪

(1)宏觀觀察和分析泵的吸入口葉輪表面存在多處蜂窩狀穿孔,輪轂表面存在明顯摩擦痕跡。葉輪前后表面密布蝕坑,鑄造組織也比較疏松。從整體裝配來看,葉輪失重穿孔部位與軸端疲勞裂源點相對應。

(2)化學成分分析各種成分的含量為:w(C)=0.162%,w(Si)=0.218%,w(Mn)=0.119%,w(P)=0.015%,w(S)=0.030%,從化學成分看,碳和錳的含量偏低。

(3)金相分析組織特征為塊狀與針狀的鐵素體+珠光體,是典型的魏氏體組織,見圖4。晶粒粗大,平均晶粒度為3級。其中珠光體含量較低,這與含碳量低有關,且晶間有夾雜物存在。這說明葉輪鑄造質量不良,存在大量縮松,且金相組織不均勻,偏析比較嚴重,從而導致了金屬表面狀態不均勻,而非金屬夾雜物的存在使金屬中形成縫隙,造成了物理上的不均勻和不完整性。由于蠟油溫度較高,酸值也較高,且含有硫等元素,使得夾雜物周圍成為點蝕的起源點。從葉輪表面的點蝕可以推斷,局部穿孔部位是夾雜物富集的地方,錳含量的偏低可能就是這種富錳硫化物聚集造成的。同時,金相組織中的偏析,造成了晶界的弱化,從而使得點蝕與晶間腐蝕的結合加速了局部的腐蝕。

(4)泵凈正吸入壓頭核算由于泵的允許汽蝕余量Δh未知,在此由吸入比轉數求解:式中,n為轉速,r/min;qV為體積流量,m3/min;S為泵的吸入比轉數。對于普通設計的離心泵,不管比轉數多大,均可取1200。從而計算可得Δh=7.4m。

2改進措施

①增大退刀槽過渡圓角半徑R,建議R=1.5~2mm,以改善該部位應力集中的程度。②嚴格按照圖樣要求執行熱處理工藝,保證軸獲得良好的綜合力學性能。③在安裝葉輪時,螺母的預緊力要適當,不宜太大。④對葉輪進行表面處理以提高耐蝕性能。

3結語

對蠟油離心泵的泵軸和葉輪按上述措施進行改造后,于1997年5月裝置大修后安裝投用,至今已運行1年多,運轉良好,沒有發生斷軸事故,證明改造是成功的。



原作者:無錫中欣防腐設備有限公司
來 源:無錫中欣防腐設備有限公司
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