地浸采鈾用潛水泵斷軸原因的實(shí)驗(yàn)室研究

張 翀，姚益軒，聞?wù)袂?，胡鵬飛，劉立偉，胥國(guó)龍，高明哲，王 興

(1.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149；2.南華大學(xué)，湖南 衡陽(yáng) 421001；3.中核內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；4.首鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院，北京 100043)

潛水泵是地浸采鈾行業(yè)最常用的地下水提升設(shè)備，為實(shí)現(xiàn)浸出液的有效提升通常需要幾百臺(tái)潛水泵同時(shí)作業(yè)。國(guó)內(nèi)某地浸采鈾礦山所用潛水泵品牌多、型號(hào)全[1]，基本涵蓋了中國(guó)地浸采鈾礦山現(xiàn)有的設(shè)備類型。在實(shí)際生產(chǎn)中頻繁出現(xiàn)的潛水泵物理?yè)p壞現(xiàn)象，不僅增加了額外的人力物力投入，還直接影響了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，僅2019年潛水泵維修投入即達(dá)人民幣200萬(wàn)元以上。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和統(tǒng)計(jì)，認(rèn)為該礦山潛水泵物理?yè)p壞類型主要包括泵軸斷裂、花鍵磨損和聯(lián)軸器斷裂等，其中泵軸斷裂占設(shè)備損壞總數(shù)80%以上。因此，以該地浸采鈾礦山在用數(shù)量最多、服役時(shí)間最長(zhǎng)的4個(gè)品牌潛水泵泵軸為研究對(duì)象，各選取1根斷裂泵軸作為代表性樣品(分別編號(hào)BZ01、BZ02、BZ03、BZ04)開展了材料化學(xué)成分、金相組織結(jié)構(gòu)、斷口宏觀微觀形貌觀察和力學(xué)性能測(cè)試等工作，分析了設(shè)備運(yùn)行工況、不銹鋼材料和應(yīng)力等對(duì)泵軸斷裂的影響，總結(jié)了地浸采鈾用不銹鋼潛水泵的斷軸原因和應(yīng)對(duì)措施。

1 潛水泵結(jié)構(gòu)、運(yùn)行工況及泵軸材料要求

地浸采鈾用潛水泵主體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由泵體和電機(jī)兩部分組成，并通過(guò)聯(lián)軸器插拔連接。其中，泵體部分由泵軸、多級(jí)葉輪和外殼組成，泵軸作用是串聯(lián)多級(jí)葉輪和傳輸電機(jī)動(dòng)力。潛水泵運(yùn)行由電機(jī)輸出動(dòng)力，帶動(dòng)電機(jī)花鍵、聯(lián)軸器、泵軸和多級(jí)葉輪共同旋轉(zhuǎn)，借助多級(jí)葉輪產(chǎn)生的離心力將浸出液提升至地表。

圖1 地浸采鈾用潛水泵結(jié)構(gòu)示意圖

地浸采鈾作業(yè)過(guò)程中，潛水泵設(shè)備實(shí)際運(yùn)行工況受地下水化學(xué)環(huán)境、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)周期和特殊狀態(tài)等多個(gè)條件影響。地浸采鈾用潛水泵工作時(shí)需完全浸沒(méi)于地下水動(dòng)水頭以下，酸法地浸采鈾工藝地下水為H2SO4體系，pH為1～3，Cl-質(zhì)量濃度為200～600 mg/L，設(shè)計(jì)通常要求潛水泵材料符合國(guó)標(biāo)316L不銹鋼牌號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。地浸采鈾工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中，除常規(guī)保養(yǎng)時(shí)允許部分設(shè)備停機(jī)外，數(shù)百臺(tái)潛水泵需不間斷連續(xù)作業(yè)，該進(jìn)行工況決定了設(shè)備材料需要具備優(yōu)異的耐疲勞性能。在潛水泵頻繁啟停帶來(lái)的水錘作用等特殊情況下，設(shè)備關(guān)鍵部件有承受瞬時(shí)應(yīng)力集中的可能，該工況也對(duì)設(shè)備材料和關(guān)鍵部件的性能提出了較高的要求。

2 泵軸化學(xué)成分分析

分別用臺(tái)式和手持式X射線熒光光譜儀，先后對(duì)4個(gè)品牌潛水泵泵軸樣品進(jìn)行了2次化學(xué)成分測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果與GB/T 1220—2007《不銹鋼棒》[2]和GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號(hào)及化學(xué)成分》[3]中規(guī)定的相應(yīng)牌號(hào)不銹鋼成分進(jìn)行對(duì)比，以確定送測(cè)樣品具體材料標(biāo)號(hào)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1的分析結(jié)果顯示：BZ01樣品化學(xué)成分接近316L不銹鋼，其Cr、Ni元素含量偏國(guó)標(biāo)下限，Mo含量略低于國(guó)標(biāo)下限；BZ02樣品化學(xué)成分接近304不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)，其Ni元素含量偏國(guó)標(biāo)下限，Cr含量低于國(guó)標(biāo)下限；BZ03樣品化學(xué)成分接近431不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)，其C元素含量偏國(guó)標(biāo)下限，Mn含量高于國(guó)標(biāo)上限；BZ04樣品化學(xué)成分符合420不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)，其C元素含量也偏國(guó)標(biāo)下限。4個(gè)品牌泵軸樣品的實(shí)際材料有316L、304、420和431等多種牌號(hào)的合金類型，除BZ03樣品明確標(biāo)示出廠材料為431外，其余樣品均不符合標(biāo)示的國(guó)標(biāo)316L牌號(hào)的要求。

表1 泵軸樣品化學(xué)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比 %

3 泵軸金相組織分析

利用金相顯微鏡對(duì)4個(gè)泵軸樣品開展金相結(jié)構(gòu)測(cè)試和組織形貌觀察。測(cè)試前對(duì)樣品進(jìn)行處理，先將各樣品垂直軸向截?cái)喑?～2 cm小段，用砂紙將斷面打磨拋光獲取新鮮面，然后用Fecl3溶液浸泡處理[4]。

金相顯微測(cè)試結(jié)果顯示，各泵軸樣品金屬組織主要為馬氏體和奧氏體兩類：BZ01、BZ02樣品組織中存在大量孿晶，晶粒粗大，為奧氏體組織，如圖2-a、2-b所示；BZ03、BZ04樣品晶粒組織更為細(xì)小，為馬氏體組織，如圖2-c、2-d所示。該礦山要求酸法地浸采鈾用潛水泵主體制造材料應(yīng)為國(guó)標(biāo)316L不銹鋼，主要原因是相對(duì)于馬氏體不銹鋼，奧氏體不銹鋼碳含量更低、塑性更好且不易斷裂[5]。而316L不銹鋼材料通常以?shī)W氏體組織形式存在，因此從金相組織類型角度也可判斷BZ03樣品和BZ04樣品的馬氏體材料非316材質(zhì)，未滿足礦山選材的采購(gòu)要求。

a—BZ01樣品，奧氏體組織；b—BZ02樣品，奧氏體組織；c—BZ03樣品，馬氏體組織；d—BZ04樣品，馬氏體組織。圖2 泵軸金相顯微測(cè)試結(jié)果

4 斷口形貌分析

4.1 斷口宏觀形貌分析

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)該礦山不銹鋼潛水泵發(fā)生斷軸故障的具體位置比較集中，多發(fā)生在泵軸與聯(lián)軸器的連接處，如圖3所示。對(duì)4個(gè)泵軸樣品斷口局部宏觀形貌觀察表明，4個(gè)樣品斷裂類型相似，均呈現(xiàn)典型的脆性斷裂特征，如圖4所示。

圖3 泵軸斷裂實(shí)物

圖4 泵軸斷口局部宏觀形貌

4.2 斷口微觀形貌分析

利用掃描電鏡(SEM)對(duì)泵軸樣品斷口整體微觀形貌進(jìn)行分析，結(jié)果印證了宏觀形貌分析結(jié)論，顯示4個(gè)樣品均為典型的脆性疲勞斷裂，主要開裂方向?yàn)榇怪庇诒幂S軸線方向。以BZ01泵軸樣品分析結(jié)果為例(圖5)，A處(軸中心)為疲勞源位置；B處為疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)；C處出現(xiàn)明顯臺(tái)階，指示該處為泵軸的瞬斷區(qū)。同時(shí)，疲勞源位置存在較明顯的疲勞輝紋(圖6-b)、眾多微裂紋(圖6-c)和大量大型夾雜物(圖6-d)。

圖5 泵軸斷口能譜(SEM)照片

a—疲勞源局部放大；b—疲勞源附近疲勞輝紋；c—疲勞源外圍微裂紋；d—可視化大型夾雜物。圖6 泵軸斷口微觀形貌

5 夾雜物分析

斷口微觀形貌顯示泵軸斷口存在不同類型的夾雜物，按位置主要存在于疲勞源位置、泵軸基體內(nèi)部和泵軸近表面等。故通過(guò)能譜(EDS)對(duì)BZ01泵軸樣品斷口的以上位置夾雜物進(jìn)行測(cè)試，分析其化學(xué)成分和分布特征。

5.1 疲勞源位置夾雜物

能譜(EDS)測(cè)試結(jié)果顯示，疲勞源位置處夾雜物成分為CaO，如圖7所示。該夾雜物個(gè)體形態(tài)較大，它的異常存在是引起泵軸疲勞斷裂的重要誘因，推測(cè)該物質(zhì)是在不銹鋼精煉鈣處理工藝過(guò)程中產(chǎn)生的。

圖7 斷口疲勞源處夾雜物電鏡(SEM)及能譜(EDS)結(jié)果

5.2 泵軸基體內(nèi)部夾雜物

通過(guò)電鏡(SEM)觀察和能譜(EDS)測(cè)試，顯示泵軸基體內(nèi)部夾雜物尺寸較小，形態(tài)以圓形和長(zhǎng)條形為主，分布較彌散，主要成分為MnS和Al2O3，如圖8所示。一般認(rèn)為此類型夾雜物是在材料冶金過(guò)程帶入的[6]，屬于正?，F(xiàn)象。

圖8 基體內(nèi)部夾雜物電鏡(SEM)及能譜(EDS)結(jié)果

5.3 泵軸近表面夾雜物

通過(guò)電鏡(SEM)觀察和能譜(EDS)測(cè)試，顯示泵軸近表面夾雜物形態(tài)多為圓形，尺寸大，數(shù)量多，且呈帶狀分布于距泵軸表面10 μm范圍內(nèi)，局部形成夾雜物帶(圖9-a)。能譜(EDS)測(cè)試結(jié)果顯示近表面夾雜物主要為MnS、Al2O3和少量SiO2(圖10)，此類物質(zhì)在泵軸近表面異常富集與二次加工過(guò)程中表面鐵皮高溫氧化有關(guān)[7]。

a—夾雜物呈帶狀分布于近表面；b—能譜測(cè)試位置。圖9 泵軸近表面夾雜物電鏡(SEM)照片

圖10 泵軸近表面夾雜物能譜(EDS)測(cè)試結(jié)果

以上測(cè)試結(jié)果可判定，泵軸樣品近表面帶狀?yuàn)A雜物是導(dǎo)致斷口中疲勞源外圍微裂紋(圖6-c)產(chǎn)生的主要原因。

6 硬度測(cè)試

由于夾雜物在泵軸內(nèi)部不均勻分布，可能引起泵軸截面不同位置的力學(xué)性質(zhì)差異。為分析泵軸的硬度分布規(guī)律，利用維氏硬度計(jì)對(duì)其截面進(jìn)行硬度測(cè)試。測(cè)試順序從泵軸表面到中心部位，將測(cè)試位置編號(hào)為位置1～位置4，位置1為表面，位置4為中心部位，數(shù)字越小代表測(cè)試位置越靠近泵軸表面。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 泵軸截面不同位置硬度測(cè)試結(jié)果HV5

從表2可見(jiàn)，4個(gè)樣品泵軸表面硬度均偏高，表面與心部硬度比偏大，有明顯二次冷加工硬化處理特點(diǎn)。冷加工的優(yōu)勢(shì)是可在獲得所需形狀的同時(shí)，有效提高金屬的強(qiáng)度和硬度[8]；但冷加工過(guò)程造成的內(nèi)應(yīng)力也強(qiáng)烈影響著應(yīng)力開裂的敏感性，越冷變形越大，應(yīng)力開裂和氫脆就越敏感。因此各泵軸樣品經(jīng)過(guò)二次冷加工后材料延展性被削弱[8]，在地浸采鈾長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中受內(nèi)應(yīng)力和周期外應(yīng)力共同作用，很容易發(fā)生整體性脆斷。

7 泵軸斷裂原因分析

綜合工作環(huán)境、材料和應(yīng)力分析測(cè)試結(jié)果，認(rèn)為該地浸鈾礦山所采用的多種不銹鋼潛水泵泵軸斷裂原因是4個(gè)不銹鋼泵軸樣品均經(jīng)過(guò)了二次冷加工處理，處理過(guò)程中在泵軸近表面形成了大量帶狀?yuàn)A雜物，造成了內(nèi)部和表面的硬度差異[9]，長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)材料疲勞累積形成了大量近表面微裂紋；同時(shí)，泵軸內(nèi)部大型CaO夾雜物周邊形成疲勞源，長(zhǎng)期運(yùn)行后達(dá)到疲勞極限，引起了局部疲勞斷裂；在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)應(yīng)力和周期外應(yīng)力共同作用下，疲勞源斷裂與表面微裂紋逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致了泵軸整體脆性瞬斷。

8 結(jié)論及建議

8.1 結(jié)論

1)樣品實(shí)際材料標(biāo)號(hào)未符合標(biāo)示的國(guó)標(biāo)316L奧氏體不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)，可能是造成泵軸物理?yè)p壞的主觀原因。4個(gè)潛水泵泵軸材料牌號(hào)分別為316L、304、420和431，除BZ03樣品外均與其標(biāo)示材料不一致。

2)泵軸樣品基體內(nèi)部普遍存在以CaO為主的大型夾雜物，這類夾雜物周邊長(zhǎng)期應(yīng)力集中形成了疲勞源；樣品近表面普遍存在以MnS、Al2O3和SiO2等為主的帶狀?yuàn)A雜物，造成泵軸表面與心部硬度比偏大，形成了局部脆化相。

3)泵軸樣品均為疲勞脆性斷裂，原因是在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)應(yīng)力和周期性外應(yīng)力共同作用下，首先泵軸局部脆化相內(nèi)部產(chǎn)生了大量微裂紋；之后疲勞源位置大型夾雜物達(dá)到疲勞極限，引起了局部疲勞斷裂；疲勞源斷裂與微裂紋隨時(shí)間逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致泵軸整體脆性瞬斷。

8.2 建議

1)建立或提升地浸礦山不銹鋼標(biāo)號(hào)的快速檢測(cè)能力，使設(shè)備材料在進(jìn)場(chǎng)前達(dá)到標(biāo)示要求。

2)采用夾雜物含量低且分布均勻的泵軸零部件替換現(xiàn)有潛水泵泵軸，防止疲勞源和微裂紋的形成概率，提高極限工況下泵軸的耐用性。

3)酸性地下水體系造成的腐蝕可能會(huì)加劇泵軸材料的損壞速率[10]，建議加強(qiáng)泵軸材料耐腐蝕性能研究，對(duì)比馬氏體與奧氏體材料的耐腐蝕差異，研究化學(xué)腐蝕與不銹鋼泵軸斷裂之間的關(guān)系。