液環(huán)真空泵泵軸斷裂原因分析及預(yù)防措施

邱宗義(中科(廣東)煉化有限公司，廣東 湛江 524012)

0 引言

液環(huán)真空泵使用液體作為工作介質(zhì)，利用葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)將泵內(nèi)的液體甩開，液環(huán)內(nèi)表面與葉輪輪縠之間會形成一個月牙狀的空間，通過葉輪縠與液環(huán)內(nèi)表面循環(huán)的“氣腔”變化，能對系統(tǒng)吸入與排出，使系統(tǒng)形成真空[1]。因液環(huán)泵具有操作簡便，而且可以抽出系統(tǒng)中的小液滴，甚至微小的顆粒等優(yōu)點(diǎn)，使其在石油化工、電力及造紙等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2-4]。

液環(huán)真空泵的軸作為轉(zhuǎn)動部件，磨損是不可避免的，在各種力的綜合作用下，極易造成材質(zhì)的損傷，而導(dǎo)致泵軸彎曲或者斷裂，這會嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行[5]。唐春容[6]等研究發(fā)現(xiàn)材料在有組織缺陷的情況下，泵軸的力學(xué)性能會明顯下降，在交變應(yīng)力作用下，容易發(fā)生疲勞開裂。初泰安[7]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)泵軸處于惡劣的工作環(huán)境下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理及選材不當(dāng)也容易引發(fā)泵軸的斷裂。

1 概況

2022 年2 月，某石化公司苯乙烯裝置液環(huán)真空泵泵軸發(fā)生斷裂，斷軸情況及樣品如圖1 所示，可見泵軸已完全斷裂，斷裂部位位于軸封前面的位置，斷口軸徑為φ225 mm,斷口齊整。液環(huán)真空泵的型號為2BW667-1EG5D，轉(zhuǎn)速340 r/min，功率560 kW，額定流量24 600 m3/h，進(jìn)口壓力-0.08～0.02 MPa，出口壓力0.03 MPa，斷裂泵軸設(shè)計(jì)材料為2Cr13。該泵從2020 年7 月年投入使用至泵軸斷裂，累計(jì)運(yùn)行了20個月。

圖1 斷口微觀形貌

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 宏觀分析

該泵軸已完全斷裂，斷裂部位位于軸封前面的位置，泵軸宏觀上沒有明顯的變形和彎曲，其斷口斷裂面垂直于泵軸軸線，斷口平整，未見明顯的塑性變形和剪切唇，為解理脆性斷口，且可觀察到疲勞輝紋，為典型的高周疲勞斷裂特征。裂紋起裂于軸頸外周一側(cè)的應(yīng)力集中部位(可能為損傷缺口或加工刀痕)，并在旋轉(zhuǎn)彎曲載荷作用下向軸另一側(cè)擴(kuò)展；擴(kuò)展區(qū)斷口面積較大，且平齊光整，瞬斷區(qū)面積較小，說明該軸在斷裂時承受的應(yīng)力不大，呈現(xiàn)低應(yīng)力高周疲勞斷裂特征。

泵軸在旋轉(zhuǎn)彎曲載荷作用下，各點(diǎn)上的應(yīng)力是變化的，在一半周內(nèi)受壓縮應(yīng)力，而在加載至另一個半周時受拉應(yīng)力，在“拉-壓”應(yīng)力交替作用下發(fā)生疲勞開裂。由于應(yīng)力分布會隨著軸的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生變化，裂紋擴(kuò)展速率在每點(diǎn)上不相等而會導(dǎo)致瞬斷區(qū)相對裂紋源偏離一定的角度，偏轉(zhuǎn)角度越大，說明彎曲載荷所起的作用越大。本次斷口的瞬斷區(qū)與裂紋源點(diǎn)幾乎在同一軸線上，瞬斷區(qū)正對應(yīng)于起裂點(diǎn)，說明該泵軸在斷裂前承受的彎曲載荷不大。從斷口宏觀特征來，該泵軸斷口特征應(yīng)屬于旋轉(zhuǎn)彎曲載荷作用、低名義應(yīng)力、缺口輕微應(yīng)力集中類疲勞斷裂。

綜合上述斷軸的宏觀形貌，初步判斷該泵軸的斷裂為啟裂于軸頸外周一側(cè)的應(yīng)力集中部位的低應(yīng)力高周疲勞斷裂，但在斷裂前承受的彎曲載荷不大。泵軸應(yīng)力集中斷裂是泵軸失效的一種常見形式，其主要發(fā)生在一些應(yīng)力集中的部位，如：鍵槽、螺紋、直徑變化處等。由于斷軸處為泵的軸封前面的位置，軸徑均勻無鍵槽，應(yīng)力集中部位可能是加工或安裝過程中產(chǎn)生的微小刀痕和裂紋，由于后期沒有對泵軸進(jìn)行表面處理，消除表面微小裂紋，導(dǎo)致泵軸表面的抗疲勞性能和磨損性能下降。

2.2 力學(xué)性能檢測

(1)化學(xué)成分分析。對斷軸取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，測試結(jié)果如表1 所示。分析結(jié)果表明，斷軸的化學(xué)成分符合2Cr13(GB 1220—2007)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 斷軸化學(xué)成分質(zhì)量含量結(jié)果

(2)硬度測試。對斷軸取橫截面進(jìn)行硬度檢測，檢測結(jié)果如表2 所示。檢測結(jié)果表明，斷軸的硬度符合2Cr13 調(diào)質(zhì)處理硬度要求。

表2 斷軸硬度測量值(HB)

(3)機(jī)械性能測試。在斷軸的心部和近邊緣部位取樣進(jìn)行常溫拉伸和沖擊測試，試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。測試結(jié)果表明，該泵軸材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率均符合GB 1220—2007 中2Cr13 材料的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)要求，但沖擊功明顯偏低，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，其中斷軸心部試樣中，有1 個試樣的沖擊功僅有13 J，而近斷軸邊緣的沖擊功最小的值為19 J，遠(yuǎn)低于2Cr13 淬火+回火沖擊功標(biāo)準(zhǔn)低限63 J，說明該泵軸材料韌性不足，脆性較大，抗疲勞能力不足。

表3 斷軸常溫機(jī)械性能測試結(jié)果

2.3 金相組織分析

在泵軸心部和近邊緣部位取樣進(jìn)行金相觀察，該斷軸心部和近邊緣材料金相組織相近，均為具有馬氏體位向的回火索氏體和少量針狀馬氏體組織，但碳化物分布不均勻，且局部存在沿晶界析出和團(tuán)聚狀析出現(xiàn)象。

2.4 斷口微觀形貌及能譜分析

為了進(jìn)一步分析斷裂的過程和特征，對斷口進(jìn)行電鏡掃描分析，掃描觀察部位包括裂紋源、裂紋擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)，分析結(jié)果如圖1 所示。圖1(a)為裂紋源區(qū)部位的電鏡掃描形貌，可觀察到從軸頸表面起始的放射紋，說明裂紋起裂于軸表面應(yīng)力集中部位，能譜分析顯示，該部位沒有明顯的夾雜，因此推測起裂處可能為損傷缺口或加工刀痕。圖1(b) 為裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌，可見擴(kuò)展區(qū)斷口平坦，高倍下可觀察到疲勞輝紋和碾壓痕，為高周疲勞斷裂特征。圖1(c)為瞬斷區(qū)(最終撕裂區(qū))的微觀形貌，可見瞬斷區(qū)大部分面積為具有扇形花樣和二次裂紋的解理脆性斷口，只有邊緣的局部面積可觀察到撕裂的韌窩特征，進(jìn)一步說明該斷軸材料韌性不足，脆性較大。

圖2所示為斷口能譜分析結(jié)果。分析結(jié)果顯示，斷口上主要產(chǎn)物為金屬、金屬氧化物。綜合上述斷口微觀形貌，進(jìn)一步說明斷軸材料韌性不足，脆性較大，斷軸裂紋為起源于軸表面應(yīng)力集中部位(可能為損傷缺口或加工刀痕)的高周疲勞斷裂。

圖2 裂紋源區(qū)能譜分析結(jié)果

3 分析討論

(1)由斷軸宏觀形貌可知，該泵軸斷裂部位位于軸封前面的位置，裂紋起裂于軸頸外周一側(cè)的應(yīng)力集中部位，并在旋轉(zhuǎn)彎曲載荷作用下向軸另一側(cè)擴(kuò)展；擴(kuò)展區(qū)斷口面積較大，且平齊光整，未見明顯的塑性變形和剪切唇，為解理脆性斷口，且可觀察到疲勞輝紋，為典型的高周疲勞斷裂特征，瞬斷區(qū)面積較小，說明該軸承受的應(yīng)力不大，呈現(xiàn)低應(yīng)力高周疲勞斷裂特征。另外，瞬斷區(qū)與裂紋源點(diǎn)在同一軸線上，瞬斷區(qū)正對應(yīng)于起裂點(diǎn)，說明該泵軸在斷裂前承受的彎曲載荷不大。因此從宏觀上初步判斷該泵軸的斷裂為啟裂于軸頸外周一側(cè)的應(yīng)力集中部位(可能為損傷缺口或加工刀痕)的低應(yīng)力高周疲勞斷裂，但在斷裂前承受的彎曲載荷不大。

(2)通過常溫力學(xué)性能測試可知，斷軸的化學(xué)成分、硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及斷后延伸率均符合GB 1220—2007 中2Cr13 材料性能標(biāo)準(zhǔn)要求。但沖擊功明顯偏低，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且斷軸心部及近邊緣的最小沖擊功分別為13 J 和19 J，遠(yuǎn)低于2Cr13 淬火+回火沖擊功標(biāo)準(zhǔn)低限63 J，說明該泵軸材料韌性不足，脆性較大，抗疲勞能力不足。

(3)金相組織表明，該泵軸心部和近邊緣的材料組織相近，均為具有馬氏體位向的回火索氏體和少量針狀馬氏體組織，但碳化物分布不均勻，且局部存在沿晶界析出和團(tuán)聚狀析出現(xiàn)象。經(jīng)正常調(diào)質(zhì)處理的2Cr13 的組織應(yīng)為均勻的回火索氏體組織，該泵軸材料可能由于回火溫度偏低或保溫時間不足，使組織中存在少量針狀馬氏體組織和碳化物分布不均勻的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致泵軸材料韌性不足，沖擊功偏低。

(4)斷口微觀形貌表明，斷口裂紋源部位可觀察到從軸頸表面起始的放射紋，且該部位沒有明顯的夾雜，擴(kuò)展區(qū)斷口平坦，高倍下可觀察到疲勞輝紋和碾壓痕，為高周疲勞斷裂特征，說明該斷軸裂紋為起源于軸表面應(yīng)力集中部位的高周疲勞斷裂。瞬斷區(qū)大部分面積為具有扇形花樣和二次裂紋的解理脆性斷口，只有邊緣的局部面積可觀察到撕裂的韌窩特征，進(jìn)一步說明該斷軸材料韌性不足，脆性較大。

綜合以上分析，認(rèn)為該泵軸斷裂為低應(yīng)力高周疲勞斷裂，而導(dǎo)致泵軸早期失效的主要原因是材料組織中存在少量針狀馬氏體組織和碳化物分布不均勻現(xiàn)象，從而導(dǎo)致泵軸材料韌性不足，沖擊功偏低，抗疲勞能力不足。次要原因是該泵軸可能存在輕微彎曲或不對中，從而產(chǎn)生了彎曲載荷。

4 結(jié)語

泵軸材料的金屬性能是影響其性能和壽命的重要因素之一，泵軸材料需要具備較高的強(qiáng)度、韌性和耐磨損性。此外，由于金屬材料在長期周期下承受交替載荷時，容易產(chǎn)生裂紋而發(fā)生疲勞失效，材料在使用過程中還需要考慮其金屬疲勞性能。因此，在選擇和使用泵軸時，需要綜合考慮金屬材料的強(qiáng)度、韌性、耐磨損性、耐腐蝕性、疲勞性能等方面的因素。文章分析的苯乙烯裝置液環(huán)真空泵泵軸為低應(yīng)力高周疲勞斷裂，而導(dǎo)致泵軸早期失效的主要原因是材料組織中存在少量針狀馬氏體組織和碳化物分布不均勻現(xiàn)象，從而導(dǎo)致泵軸材料韌性不足，沖擊功偏低，抗疲勞能力不足，次要原因是該泵軸可能存在輕微彎曲或不對中現(xiàn)象，從而產(chǎn)生了彎曲載荷。據(jù)此，提出以下建議：

(1)泵軸生產(chǎn)廠家應(yīng)嚴(yán)格把控材料的生產(chǎn)工藝，確?；鼗饻囟群捅貢r間，確保泵軸材料的質(zhì)量和強(qiáng)度符合要求。

(2)施工單位應(yīng)提高安裝質(zhì)量，安裝前要檢查泵軸的彎曲度和表面質(zhì)量，并保證對中良好。