高壓煤漿泵軸斷裂原因分析與處理

李 明,劉蔚云

（江蘇索普（集團(tuán)）有限公司，江蘇南京200050）

1 概述

高壓煤漿泵是我司甲醇廠的主要設(shè)備，2009年隨工程項(xiàng)目投用，屬于往復(fù)式柱塞隔膜泵，工作溫度80℃，工作壓力 9.6 MPa,流量：13～43 m3，最大 56 m3，13～40行程次數(shù)/min,250 mm活塞行程，骨架油封。為節(jié)約費(fèi)用和縮短訂貨時(shí)間，2013年3月我司將泵軸國(guó)產(chǎn)化，但僅使用4個(gè)月就發(fā)生了軸斷裂故障，遠(yuǎn)未達(dá)到進(jìn)口泵軸使用5年的設(shè)計(jì)壽命。

2 泵軸斷裂原因分析

圖1是前后兩次斷裂的泵宏觀斷口分析照片。本次分析共選取早期德國(guó)（制造）原配泵軸的斷口一枚，近期國(guó)產(chǎn)替代軸的斷口一枚失效進(jìn)行分析。

德國(guó)（制造）原配的泵軸，斷裂于螺紋部位，斷口由啟裂區(qū)、慢速擴(kuò)展區(qū)及最后快速失穩(wěn)斷裂區(qū)組成。國(guó)產(chǎn)替代泵軸斷裂于光滑軸桿段，斷口上的啟裂區(qū)、慢速擴(kuò)展區(qū)及最后快速失穩(wěn)斷裂區(qū)分區(qū)清晰。

圖1 兩次斷裂軸的宏觀斷口形貌分析照片

從宏觀斷口形貌看：兩個(gè)軸的斷口宏觀上均為脆性斷裂，斷口上的啟裂區(qū)、慢速擴(kuò)展區(qū)以及最后過(guò)載瞬斷區(qū)清晰，斷口上可見(jiàn)貝紋線特征形貌，屬于典型的疲勞斷裂。

圖2、3是兩個(gè)軸材質(zhì)的顯微金相分析照片。德國(guó)（制造）原配的泵軸在高倍下可見(jiàn)滲碳體呈顆粒狀，確定材料的熱處理為調(diào)質(zhì)狀態(tài)——回火索氏體，其是（大型運(yùn)動(dòng)部件）軸類(lèi)零件的必要的熱處理狀態(tài)，具備良好抗疲勞的熱處理?xiàng)l件。國(guó)產(chǎn)替代泵軸在高倍下可見(jiàn)珠光體內(nèi)的滲碳體呈完整的片狀，這是正火后沒(méi)有進(jìn)行回火（或回火溫度不夠）處理的顯微組織形貌，其顯微組織為正火狀態(tài)的體素體+珠光體，材料處于正火狀態(tài)，且沒(méi)有進(jìn)行高溫回火，這種組織狀態(tài)不能充分發(fā)揮材料的疲勞抗力，無(wú)法保證大型軸類(lèi)零件的抗疲勞能力。

圖2 德國(guó)（制造）原配壓縮機(jī)軸斷裂件顯微金相分析

圖3 國(guó)產(chǎn)替代壓縮機(jī)軸斷裂件顯微金相分析

圖4是斷口的掃描電鏡分析照片。斷口上的啟裂區(qū)清晰，擴(kuò)展區(qū)的斷口因材料的熱處理狀態(tài)為正火，導(dǎo)致組織為兩種不同的組成物（鐵素體和珠光體），在疲勞載荷作用下發(fā)生不均勻塑性變形，而呈現(xiàn)高低不同的斷口特征形貌，足見(jiàn)正火狀態(tài)的材料疲勞抗力不足。高倍下可見(jiàn)到不規(guī)則的應(yīng)力休止線，軸發(fā)生了疲勞斷裂應(yīng)該沒(méi)有疑問(wèn)。

由上得出如下結(jié)論：國(guó)產(chǎn)替代泵軸沒(méi)有進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，是導(dǎo)致泵軸提前斷裂（或疲勞壽命較短）的重要原因。

通過(guò)失效分析，找到了原因，并進(jìn)行了改善處理，使用近1年來(lái)情況良好。

圖4 斷口掃描電鏡分析

3 經(jīng)濟(jì)測(cè)算及結(jié)論

一根泵軸外購(gòu)需要3萬(wàn)美金，國(guó)產(chǎn)化后僅需3萬(wàn)元人民幣，購(gòu)置進(jìn)口泵軸購(gòu)置費(fèi)用高，經(jīng)濟(jì)性差；原來(lái)進(jìn)口泵軸采購(gòu)周期6個(gè)月，國(guó)產(chǎn)化后，采購(gòu)周期只要10天，從穩(wěn)定生產(chǎn)的角度，原來(lái)進(jìn)口泵軸一般至少備用3只，國(guó)產(chǎn)泵軸只要備用1只即可。因此，在保證生產(chǎn)的前提下，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，合理地備用國(guó)產(chǎn)泵軸，5臺(tái)設(shè)備可以節(jié)省近50萬(wàn)元，年平均節(jié)約費(fèi)用10萬(wàn)，既安全又經(jīng)濟(jì)。