高壓煤漿泵活塞桿斷裂原因分析

代松濤，蔡可慶

(江蘇索普〔集團(tuán)〕有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 212006)

江蘇索普(集團(tuán))有限公司多噴嘴水煤漿氣化裝置于2009年9月建成投產(chǎn)，氣化爐操作壓力為6.5 MPa(2開(kāi)1備)，單臺(tái)投煤為1 500 t/d。煤漿輸送選用了德國(guó)FELUWA公司的高壓煤漿泵，該高壓煤漿泵在運(yùn)行過(guò)程中曾出現(xiàn)軟管隔膜破裂、單向閥卡塞、變頻器過(guò)載、活塞桿斷裂等現(xiàn)象，給氣化裝置的正常運(yùn)行帶來(lái)較大隱患。其中，高壓煤漿泵在運(yùn)行過(guò)程中活塞桿出現(xiàn)2次斷裂現(xiàn)象：第1次是德國(guó)原裝活塞桿在運(yùn)行13 263 h后斷裂，檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)大齒輪在運(yùn)行過(guò)程中有跑偏跡象，導(dǎo)致活塞桿在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生剪切力，使其壽命縮短；第2次是國(guó)產(chǎn)替代活塞桿在使用1 859 h后斷裂(斷成3段)。

本文就氣化裝置運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的高壓煤漿泵活塞桿斷裂異?，F(xiàn)象，對(duì)引起活塞桿斷裂的原因進(jìn)行分析，并找到相應(yīng)的預(yù)防措施，以實(shí)現(xiàn)高壓煤漿泵穩(wěn)定運(yùn)行，提高氣化裝置的運(yùn)行周期。

1 宏觀斷口分析

本次分析共選取德國(guó)原裝活塞桿及國(guó)產(chǎn)替代活塞桿各1根，其斷口宏觀分析照片分別見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 德國(guó)原裝活塞桿斷口宏觀形貌

圖2 國(guó)產(chǎn)替代活塞桿斷口宏觀形貌

由圖1和圖2可知：德國(guó)原裝的高壓煤漿泵活塞桿斷裂于螺紋部位，國(guó)產(chǎn)替代高壓煤漿泵活塞桿斷裂于光滑軸桿段；2根活塞桿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)及過(guò)載瞬斷區(qū)分區(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。

2 顯微金相分析

金屬的性能取決于其成分和微觀組織，其中微觀組織對(duì)金屬性能的影響最為直接。因此，可以通過(guò)對(duì)高壓煤漿泵活塞桿斷口金屬微觀組織的觀察和分析來(lái)判斷活塞桿斷裂的原因(圖3至圖6)。

圖3 德國(guó)原裝活塞桿顯微金相分析(500×)

圖4 德國(guó)原裝活塞桿顯微金相分析(3 000×)

由圖3和圖4可以看出：德國(guó)原裝活塞桿的顯微組織為正常的回火索氏體。由圖4可知：在高倍(3 000倍)下可見(jiàn)滲碳體呈顆粒狀，材料處于調(diào)質(zhì)狀態(tài)，是軸類零件(大型運(yùn)動(dòng)部件)的必要的熱處理狀態(tài)。

圖5 國(guó)產(chǎn)活塞桿顯微金相分析(500×)

圖6 國(guó)產(chǎn)活塞桿顯微金相分析(3 000×)

由圖5和圖6可以看出：國(guó)產(chǎn)活塞桿的顯微組織為正火狀態(tài)的鐵素體+珠光體。由圖6可知：在高倍(3 000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，這種組織狀態(tài)無(wú)法保證大型軸類零件的抗疲勞能力。

3 斷口的掃描電鏡分析

在對(duì)活塞桿材料顯微金相分析的基礎(chǔ)上，利用掃描電鏡分析技術(shù)，進(jìn)一步對(duì)國(guó)產(chǎn)活塞桿材料中微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析(圖7和圖8)。

圖7 國(guó)產(chǎn)活塞桿斷口掃描電鏡分析(500×)

圖8 國(guó)產(chǎn)活塞桿斷口掃描電鏡分析(3 000×)

由圖7可以看出，正火組織為鐵素體+珠光體，2種組成物的塑性變形能力不同，導(dǎo)致其斷裂后斷口出現(xiàn)高低不等的塑性斷裂峰與珠光體的脆性斷裂凹坑平臺(tái)，足見(jiàn)其疲勞抗力嚴(yán)重不足。由圖8可見(jiàn)到不規(guī)則的應(yīng)力休止線，確定活塞桿發(fā)生了疲勞斷裂。

4 結(jié)果及討論

(1) 德國(guó)原裝的高壓煤漿泵活塞桿的材料處于調(diào)質(zhì)狀態(tài)——回火索氏體，具備良好抗疲勞的熱處理?xiàng)l件。國(guó)產(chǎn)替代活塞桿的材料處于正火狀態(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。

(2) 通過(guò)對(duì)國(guó)產(chǎn)替代活塞桿斷口的掃描電鏡分析，斷口上的啟裂區(qū)清晰，慢速擴(kuò)展區(qū)的斷口因材料的熱處理狀態(tài)為正火，導(dǎo)致2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。

綜上所述，國(guó)產(chǎn)替代活塞桿沒(méi)有進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，是導(dǎo)致活塞桿提前斷裂(或疲勞壽命較短)的根本原因。

建議：在選擇高壓煤漿泵活塞桿備件時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮采用原廠備件；若選擇國(guó)產(chǎn)替代，則應(yīng)對(duì)所選用材料及加工工藝提出明確要求。