熔體增壓泵斷軸原因分析及對策

高 策

(中國石化儀征化纖股份有限公司短纖中心，江蘇儀征 211900)

滌綸短纖維生產(chǎn)按照聚酯熔體來源的不同，分熔體直接紡絲和熔體間接紡絲(也叫切片紡絲)兩種形式。熔體直接紡絲主要是依靠增壓泵將聚酯裝置管線輸送來的熔體加壓后，經(jīng)計量泵精確計量傳送至紡絲箱體，由噴絲板擠壓噴射出原絲。其中增壓泵不僅用來提高熔體輸送壓力，滿足紡絲組件的入口壓力必須高于10 MPa［1］，還保證熔體輸送系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。增壓泵斷軸會導(dǎo)致短纖維前紡生產(chǎn)裝置全線停車，還影響上游的聚酯生產(chǎn)裝置正常連續(xù)生產(chǎn)。筆者依據(jù)斷裂失效分析和現(xiàn)場實際運行維護狀況，分析泵軸斷裂原因并提出解決對策。

1 熔體增壓泵結(jié)構(gòu)及工作原理

熔體增壓泵是一種正位移輸送裝置，流量與泵的轉(zhuǎn)速呈嚴格的正比關(guān)系。其輸送的介質(zhì)是高溫、高粘度的聚合物熔體，要求泵體耐高溫，零部件材質(zhì)有很高的硬度和耐磨性，各配合零件的膨脹系數(shù)不能相差太大，還要有良好的耐腐蝕性并且保證密封可靠［2］。

增壓泵及傳動裝置包括泵體、聯(lián)軸節(jié)、支座、扭矩限制器、擺線針輪減速機、傳動齒形帶、變頻電機等幾部分，見圖1所示。泵體主要由泵殼、主動齒輪、從動齒輪、滑動軸承、前后端板、填料密封等組成。由兩個齒輪的齒廓、泵體、側(cè)蓋板構(gòu)成了泵的進料區(qū)、輸料區(qū)和排料區(qū)。工作時依靠主、從動齒輪的相互嚙合造成的工作容積變化來輸送熔體。工作容積由泵體、齒輪的齒槽及具有側(cè)板功能的軸承構(gòu)成(即進料區(qū))。當齒輪按規(guī)定方向旋轉(zhuǎn)時，熔體即進入進料區(qū)兩齒輪的齒槽中，隨著齒輪轉(zhuǎn)動，熔體從兩側(cè)被帶入輸料區(qū)，齒輪的再度嚙合，使齒槽中的熔體被擠出排出區(qū)，壓送到出口管道。只要泵軸轉(zhuǎn)動，齒輪就向出口側(cè)壓送熔體，因此泵出口可達到很高的壓力，而流量與排出壓力基本無關(guān)。

圖1 增壓泵及傳動裝置

2 熔體增壓泵斷軸原因剖析

2.1 增壓泵齒輪軸斷裂失效分析

試驗所用的樣品從失效的增壓泵齒輪軸上采用線切割方法取樣，采用Axio Image Aim蔡司金相顯微鏡進行金相組織分析;用HVI－10A維氏硬度計進行硬度測試;用JSM－6360LV掃描電子顯微鏡進行形貌分析。

2.1.1 宏觀分析

齒輪軸主斷裂面垂直于軸線，斷面上明顯分為陳舊斷口區(qū)(靠近外表面，圖2中的1，2，4區(qū)域)、較為新鮮的斷口區(qū)(斷口上大部分區(qū)域，較為平坦)和新鮮斷口區(qū)(圖2中的3區(qū)域)。陳舊斷口區(qū)覆蓋較多腐蝕產(chǎn)物，但仍能隱約觀察到貝紋線特征。初步判斷，該斷口為疲勞斷口，啟裂于軸外表面，啟裂位置至少有兩處，分別位于圖2中的1，4區(qū)域，然后快速擴展，最終斷裂區(qū)位于圖2左下角的3區(qū)。

圖2 增壓泵齒輪軸斷口宏觀

2.1.2 斷口掃描電鏡(SEM)分析

從增壓泵齒輪軸主斷裂面上選?、?，Ⅵ，Ⅶ三個位置進行掃描電鏡(SEM)分析，如圖3所示。分析結(jié)果如圖4～6。在Ⅴ區(qū)域根據(jù)裂紋方向確定疲勞開裂啟于外壁(圖4)，Ⅵ試樣在擴展區(qū)觀察到的疲勞輝紋(圖5)，表明開裂為疲勞開裂?？焖贁嗔褏^(qū)為細小的韌窩(圖6)。

圖3 增壓泵齒輪軸斷口切下并清洗后宏觀

2.1.3 金相組織分析

增壓泵齒輪軸金相組織如圖7所示。軸外表面發(fā)現(xiàn)一層堆焊物質(zhì)，深度為1.5 mm左右，表面硬度為HRC52，為馬氏體+殘余奧氏體(圖7(a)、7(b))，軸近外壁組織和心部組織均為馬氏體+殘余奧氏體+粒狀和條塊狀碳化物(圖7(d)、7(f))，條塊狀碳化物有形成網(wǎng)狀的趨勢(圖7(c)、7(e))，同時還觀察到沿著碳化物的開裂(圖7(g))。金相組織沿著軸線方向有明顯鍛造特征(圖7(h))。堆焊層至心部宏觀硬度分布為HRC52(表面)－HRC45(距表面1 mm左右)－HRC51(距表面3 mm左右)－HRC56(距表面15 mm左右)。

圖4 Ⅴ試樣斷口電鏡分析

圖5 Ⅵ試樣斷口電鏡分析

圖6 Ⅶ試樣斷口電鏡分析

2.1.4 裂紋分析

看似完整無裂紋的增壓泵齒輪軸在表面修復(fù)層下存在大量軸向裂紋(圖8)，以至于多次切割，深度達到6.5 mm時，仍有明顯的肉眼可見裂紋(圖8(b)－8(e))，因此未再切割試樣。為研究裂紋走向與組織的關(guān)系，在裂紋位置切取金相試樣。金相分析表明，裂紋沿著碳化物擴展(圖8(f)－8(g))。

2.2 增壓泵齒輪軸斷裂原因分析

綜合以上分析結(jié)果，增壓泵齒輪軸的斷裂主要源于以下幾方面因素:

圖7 增壓泵齒輪軸金相組織分析

圖8 增壓泵齒輪軸內(nèi)部裂紋及裂紋與組織關(guān)系

2.2.1 材料機械性能下降因素

通過金相顯微鏡可以明顯看到齒輪軸金相組織硬脆，且碳化物有形成網(wǎng)狀傾向，一旦碳化物形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將大大降低材料的機械性能。發(fā)生齒輪軸斷裂的增壓泵均已連續(xù)運行20年以上，已超過制造廠家承諾的使用周期，在長時間受重復(fù)荷載作用后，在局部高應(yīng)力區(qū)形成微小裂紋，再由微小裂紋逐漸擴展，像突然變“脆”了一樣，在應(yīng)力還遠小于材料的強度極限的情況下，沒有什么明顯的變形，就突然發(fā)生完全斷裂，這是典型的“疲勞破壞”［3］。增壓泵傳動系統(tǒng)有扭矩限制器和變頻電機兩道保護，在發(fā)生斷軸后，電機未跳停，也未發(fā)現(xiàn)增壓泵變頻器報警，說明未超過電機最大額定電流;同時，扭矩限制器運行正常，防松螺絲聯(lián)接完好，說明在故障時，軸上承載的扭矩沒有達到扭矩限制器所設(shè)定的保護值，也驗證了齒輪軸疲勞強度已遠低于原設(shè)計值。

2.2.2 軸表面修復(fù)因素

增壓泵齒輪軸斷裂的位置采用過激光表面堆焊技術(shù)進行了軸表面修復(fù)。通過金相組織分析，我們發(fā)現(xiàn)齒輪軸外表面由于堆焊了一層金屬，該層金屬硬度偏低，導(dǎo)致外表面對疲勞載荷敏感(一般而言，提高材料硬度可以提高材料的抗疲勞性能)，事實上是降低了軸的抗疲勞性能。此外，激光堆焊過程中容易產(chǎn)生微裂紋［4］，主要是激光加工加熱冷卻速度快，熔池壽命短，熔池中存在的氧化物、硫化物及其他雜質(zhì)來不及釋放出來，它們存在熔敷層中很容易成為裂紋源，由熔敷層網(wǎng)紋伸展而形成疲勞斷裂［5］。

2.2.3 工藝操作不當因素

品種調(diào)整、聚酯斷料、紡絲開車、修噴絲板作業(yè)等都會引發(fā)增壓泵載荷異常變化，如工藝控制或操作不當，增壓泵轉(zhuǎn)速的突然變化和輸出的大幅波動，勢必會給已經(jīng)變得脆弱的增壓泵齒輪軸雪上加霜，在品種變換頻繁或重新啟動增壓泵的老生產(chǎn)線上易發(fā)生斷軸事故也就不難理解了。

3 建議采取的措施

a)通過金相分析，滌綸短纖維紡絲增壓泵隨著連續(xù)運行時間的延長，其齒輪軸金相組織碳化物會逐漸增多，并形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致材料的機械性能明顯下降，進而發(fā)生疲勞損壞。建議對連續(xù)運行20年以上的紡絲增壓泵，根據(jù)實際運行狀況，一旦發(fā)生斷軸情況，同類設(shè)備應(yīng)及時考慮安排更新;

b)對于齒輪軸輸出端表面磨損部位，采用激光表面堆焊技術(shù)或其它表面修復(fù)技術(shù)進行修復(fù)，要格外慎重，盡量避免在熔敷層或結(jié)合層產(chǎn)生微裂紋或降低硬度導(dǎo)致齒輪軸抗疲勞性能的下降;

c)嚴格規(guī)范工藝操作，盡量減少負荷變化對增壓泵齒輪和齒輪軸的沖擊。發(fā)生聚酯斷料情況，要盡快將增壓泵輸出切到手動操作模式，控制好熔體壓力波動;增壓泵開車狀態(tài)，要緩慢提升增壓泵輸出;修板作業(yè)時不要超過兩個位。任何工藝處理作業(yè)必須以平穩(wěn)為原則，一定要避免負荷的突變。

4 結(jié)語

2013年以來，儀化公司對已磨損的增壓泵齒輪軸不再采取激光表面修復(fù)，而是根據(jù)磨損情況和使用年限，對增壓泵或齒輪軸逐步更新，保證了裝置安全穩(wěn)定運行。

［1］ 趙彥民.滌綸短纖維生產(chǎn)設(shè)備［M］.南京:東南大學出版社，1992.

［2］ 中國石油化工集團公司人事部，中國石油天然氣集團公司人事服務(wù)中心.滌綸短纖維紡絲工［M］.北京:中國石化出版社，2008.

［3］ 劉鴻文.材料力學［M］.第 2版.北京:高等教育出版社社，1987.

［4］ 姚建華，張群莉，葉良武.激光表面堆焊技術(shù)及其發(fā)展趨勢［J］.激光與光電子學進展，2004，41(2).

［5］ 吳玉蘭.泵軸斷裂失效原因分析［J］.南通紡織職業(yè)技術(shù)學院學報，2012，12(4).