急冷塔上段循环泵轴头断裂失效分析与对策.pdf

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1、憬安釜石油化工设计PetrochemicalDesign急冷塔上段循环泵轴头断裂失效分析与对策齐学辉，王晶，茹言(中国石油天然气股份有限公司大庆石化分公司，黑龙江大庆163714)摘要：通过失效分析判断P一107B轴头断裂为疲劳断裂。通过宏观观察、金相组织、化学成分分析方法，推断出新轴系材料组织夹杂物较多、测绘加工不不当，致使退刀槽处产生应力集中，形成疲劳裂纹源，最终导致泵轴在退刀槽部位发生疲劳断裂。关键词：疲劳断裂失效分析金相显微镜扫描电子显微镜轴头退刀槽最小轴径1故障说明号：ZE400—6560大连苏尔寿制造的单级悬臂离2010

2、年10月22日和2011年1月10日，丙心泵。佳木斯电机型号：YB450S1—6／250kW。性烯腈装置急冷塔上段循环泵P一107S、P～107B先能参数：额定流量1360Ill／h、额定转速980RPM、后出现泵轴头断裂故障。原泵轴的材质为1Crl3额定扬程42M、泵体、叶轮、泵体口环、叶轮口环、考虑到泵介质主要成分是pH值较低的硫酸铵溶背帽(叶轮螺母)316L；防松螺钉(钢丝螺套)液。维修重新加工材质为316的新轴。新泵轴投1Crl8Ni9Ti入运行5个月，2011年6月2日再次出现轴头断裂故障。断裂部位发生在叶轮轴颈口和叶轮背

3、帽2轴头断裂失效原因分析螺纹退刀槽处(见图1)。2．1断裂为疲劳断裂断裂部位在轴头退刀槽处。断口平齐，断口所在平面与轴向基本垂直，断口无明显塑性变形。断口表面被一层黑色产物覆盖。通过倒置式金相显微镜和扫描电子显微镜检测⋯。用20％NaOH溶液清洗轴头，清洗后发现断口表面存在宏观疲劳条纹，见图2(a)。图1新轴轴头断裂示意将轴头放在扫电子显微镜下高倍观察，断裂1．1泵的工艺流程及介质成分源区可见明显疲劳辉纹，见图2(b)。二次裂纹呈急冷塔上段循环泵P一107A／B／S共3台，本现疲劳特征，见图2(0)。腐蚀后观察的组织为：次断裂的是P

4、一107B。回收部分工艺流程是，从奥氏体。见图2(d)。硬度：HB157、160、161，硬度反应器出来的气体(约200℃)进入急冷塔下段。符合标准。该轴断裂属于在旋转力作用下发生的气体向上流动，通过喷淋急冷水在急冷塔下段将疲劳断裂J。反应气体冷却到约80。气体继续上升，在急冷2．2新轴结构不合理塔上段，由加入上段循环液中的硫酸与反应气体(1)从新轴的断裂部位分析，裂口位于轴头螺中未反应的氨中和移除。急冷塔上段物料组成：纹退刀槽处。从原图纸可看出，在轴头加工的内氢氰酸0．14％；乙腈0．03％；丙烯腈0．16％；硫酸铵21．13％组

5、成，pH值4．7。收稿日期：2011—12—15。1．2泵的性能参数和结构形式作者简介：齐学辉，男，2001毕业于齐齐哈尔大学过程急冷塔上段循环泵P一107B是2007年采用装备与控制工程专业，学士学位，机械工程师，现从事新技术提高丙烯腈装置精制回收率项目设备。型设备管理工作。E—mail：heqxh@petroehina．com．cn·60·石油化工设计第29卷孔深度并未达到螺纹退刀槽处(见图3)。而从断作用最细处的直径d一般是轴端直径。裂的新轴测绘图纸看出，新加工的轴内孔较深达根据扭转强度条件确定的最小直径为：到52mm，已经远

6、远超过螺纹退刀槽处(见图4)。di==A0尸l／凡同时，新轴最细的位置直径32—10=22(mm)。式中：P——轴所传递的功率，kW，查泵性能试验记录单得出175kW；凡——轴的转速，r／min；A。——为计算系数，查表A。=120。di=67．2mm>36mm(实际轴头直径)。同时轴头有钻孔，削弱了轴的强度，此时应将(a)断El宏观形貌o))疲劳辉纹(×2000)计算所得的直径适当增大，应该将d增大10％。建议将轴头直径改为67(1+0．1)=70mm。2．3轴材质不过关新轴材质为316，由表1看出，新轴Cr、Mo元一一素含量在指

7、标范围内，但Ni元素含量偏低，低于(c)二次裂纹(×loo)(d)腐蚀后组织形状(×loo)指标11％一15％J。表1主要元素化学成分图2断面宏观及显微照片钢号CrNiMoP一107B新轴l7．O3l0．152．34一0Crl7Nil2Mo2(316)16～19I1～l51．8～2．5同时，将轴头制成高倍金相试样，未腐蚀前观．r-_—察，非金属夹杂物较多，评定为2．5级，见图5。分析是轴存在原始锻造缺陷即夹渣。夹渣会降低钢的疲劳强度，起缺口及应力集中作用，引起疲劳裂图3原泵轴头处图纸纹，且在交变载荷作用下，使疲劳裂纹在局部产生并加速

8、扩展，导致泵轴过早发生疲劳断裂¨5]。M12×1．75图5轴头未腐蚀前组织(×100)图4测绘后泵轴头处图纸2．4工艺方面分析为新轴并没有真实反应处原厂家轴的设泵解体后，发现轴端断面处及叶轮流道和叶计思路，导致轴头退刀槽处直径偏细并出