往復(fù)泵曲軸斷裂失效分析*

武科，王大成

(廣東石油化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 茂名 525000)

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往復(fù)泵曲軸斷裂失效分析*

武科，王大成

(廣東石油化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 茂名 525000)

應(yīng)用理化檢驗(yàn)對(duì)某往復(fù)泵曲軸斷裂事故進(jìn)行了宏觀檢查、材質(zhì)化學(xué)成分分析、硬度測(cè)試、金相組織分析、斷口形貌分析等檢測(cè)。結(jié)果表明，曲軸斷裂為多源疲勞斷裂。主要原因是由于曲軸材質(zhì)金相組織不均勻，不同部位硬度差異較大，內(nèi)部夾雜物較多，曲軸的化學(xué)元素存在偏析，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高，加之曲軸表面鍍層厚度不均勻，鍍層和基體的結(jié)合不好，在結(jié)合處產(chǎn)生應(yīng)力集中等引起的疲勞斷裂。據(jù)此，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

往復(fù)泵；曲軸；疲勞斷裂；失效分析

往復(fù)泵在石油化工行業(yè)應(yīng)用廣泛，是一種高效節(jié)能的流體輸送設(shè)備[1]。曲軸是往復(fù)泵的關(guān)鍵部件，其幾何形狀復(fù)雜，工作中承受著強(qiáng)烈的交變載荷，應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，極易發(fā)生疲勞破壞[2-3]。某煉油化工企業(yè)往復(fù)泵(型號(hào)為5DS1-27/19.2)從2012開始使用，在非停車時(shí)間一直運(yùn)行至泵軸斷裂。

本文針對(duì)某煉油化工企業(yè)往復(fù)泵曲軸發(fā)生的斷裂事故，運(yùn)用理化檢查的方法對(duì)曲軸的材料，宏、微觀斷口形貌以及金相組織分析，探尋往復(fù)泵曲軸斷裂的真正原因，據(jù)此提出改進(jìn)措施。

1　往復(fù)泵的基本情況

往復(fù)泵曲軸設(shè)計(jì)選材為42CrMo，出廠前做過調(diào)質(zhì)處理，曲軸表面經(jīng)電鍍處理以提高表面硬度和耐磨性。由于該泵在運(yùn)行過程中經(jīng)常啟停，致使泵軸長時(shí)間承受交變載荷作用。本次斷裂部位位于曲軸三分之一處。該泵的主要參數(shù)包括：額定流量26 t/h，出口壓力19.2 MPa；曲軸轉(zhuǎn)速272 r/min,軸功率200 kW。

2　泵曲軸的斷口檢驗(yàn)分析

2.1宏觀檢查

斷裂的曲軸宏觀形貌如圖1所示，曲軸斷口宏觀形貌如圖2所示。

圖1　斷裂曲軸的宏觀形貌　圖2　曲軸斷口的宏觀形貌

曲軸斷面從中間呈現(xiàn)高低兩大塊，殘留較大尺寸的凹坑，整體表面已經(jīng)油污發(fā)黑。從紋路走向及貝紋線發(fā)散方面分析判斷，往復(fù)泵曲軸呈多源疲勞斷裂(圖中箭頭所指為斷裂源)，主要起源區(qū)為邊緣①區(qū)，擴(kuò)展區(qū)在②區(qū)，最后斷裂區(qū)在③區(qū)[4-5]。

2.2化學(xué)成分分析

依據(jù)GB/T 17359—2012標(biāo)準(zhǔn)，在斷裂曲軸部分取樣，采用直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析。由表1可知該曲軸的化學(xué)成分碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高，其他成分基本符合GB/T 3077—1999標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)42CrMo鋼的技術(shù)要求。對(duì)鍍層與基體結(jié)合區(qū)以及鍍層區(qū)進(jìn)行成分分析,該區(qū)域的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高,已達(dá)到0.77%。以上分析可說明該曲軸的化學(xué)元素存在偏析,并且碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高,導(dǎo)致材質(zhì)塑性和沖擊性能降低,變硬變脆,缺口敏感性也相應(yīng)增強(qiáng),容易產(chǎn)生裂紋源[6]。

2.3 硬度檢測(cè)

對(duì)鍍層區(qū)域的可說明數(shù)偏高缺口敏2.3 硬 表1 曲軸化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %元素GB/T3077—1999分析結(jié)果C0.38～0.450.49Si0.17～0.370.31Mn0.50～0.800.55Cr0.90～1.200.93Mo0.15～0.250.16

依據(jù)GB/T 4340.1—2009金屬維氏硬度試驗(yàn)方法，采用HMV-2T顯微硬度計(jì)對(duì)送檢樣往復(fù)泵曲軸斷裂鋼樣①區(qū)、②區(qū)、③區(qū)以及鍍層區(qū)經(jīng)加載載荷2 N，保載時(shí)間10 s進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果見表2。從硬度測(cè)試結(jié)果可以看出,曲軸整體硬度差異較大,變化范圍在17～26HRC,在裂紋起源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)的硬度值比42CrMo標(biāo)準(zhǔn)硬度20HRC高,脆性及缺口敏感性較高,易引起曲軸斷裂。另外,鍍層區(qū)的硬度差異也較大。

測(cè)試范圍度值敏感度差表2 硬度測(cè)試結(jié)果測(cè)點(diǎn)1235均值HV0.2換算HRC①區(qū)23624726026525224.2②區(qū)27530025525927226.0③區(qū)21924022823422917.6鍍層61960962762062056.3

圖3曲軸斷裂鋼樣拋光態(tài)照片(100×)

2.4金相檢測(cè)

依據(jù)JY/T 012—1996，采用DMI3000M徠卡顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)，從主要起源邊緣①區(qū)、最后斷裂邊緣③區(qū)及凹坑②區(qū)中心區(qū)域橫斷面線切割取樣金相分析，拋光態(tài)金相見圖3，內(nèi)部夾雜物較多，分散分布的B類點(diǎn)狀氧化物類以及A類條狀硫化物類。本文泵軸使用的42CrMo屬高強(qiáng)度鋼，而硫化物夾雜物會(huì)降低42CrMo的韌性；另外，夾雜物易造成鋼中裂紋成核[7]。

邊緣①區(qū)取樣經(jīng)研磨拋光，3%硝酸酒精侵蝕，金相組織見圖4，該區(qū)基體組織主要為珠光體、索氏體和少量鐵素體。邊緣可見白亮層鍍層組織見圖5，白亮層鍍層厚度約330 μm。

圖4　邊緣①區(qū)金相組織(100×)　　　圖5　邊緣①區(qū)白亮層金相組織(500×)

中心區(qū)域②區(qū)經(jīng)研磨拋光，3%硝酸酒精侵蝕，金相組織見圖6、圖7，該區(qū)基體組織稍呈帶狀分布，局部組織為索氏體，局部組織為珠光體或黑色大塊狀珠光體，組織呈不均勻現(xiàn)象。

邊緣③區(qū)經(jīng)研磨拋光，3%硝酸酒精侵蝕，金相組織見圖8、圖9，該區(qū)基體組織主要為珠光體和鐵素體，鐵素體稍呈網(wǎng)狀，邊緣可見白亮層鍍層組織，見圖10，白亮層鍍層厚度約730 μm。

通過對(duì)白亮層鍍層組織觀察，白亮層鍍層與基體之間有一結(jié)合層，鍍層和結(jié)合層分布黑色針葉狀發(fā)細(xì)裂紋(發(fā)紋)，同時(shí)還可見較粗的微裂紋。在泵軸運(yùn)行過程中，受到交變載荷的作用，在拉應(yīng)力的作用下，鍍層的微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，成為泵軸斷裂的誘因。

圖6　中心②區(qū)金相組織(100×)　　　圖7　中心②區(qū)金相組織(500×)

圖8　邊緣③區(qū)金相組織(100×)　　　圖9　邊緣③區(qū)金相組織(500×)

2.5斷口微觀形貌分析

對(duì)往復(fù)泵曲軸斷裂鋼樣取樣、拋光、制樣后，經(jīng) EPMA-1600電子探針及其能譜儀分析斷口的微觀形貌。從圖11清晰地看到疲勞輝紋，為典型的疲勞斷裂斷口形貌特征，由此可以判斷曲軸發(fā)生疲勞斷裂。

圖10　邊緣③區(qū)白亮層金相組織(500×)　　　圖11　曲軸斷口微觀形貌

3　結(jié)論

(1)泵軸材料是42CrMo，經(jīng)分析材質(zhì)金相組織不均勻，不同部位硬度差異較大，內(nèi)部夾雜物較多，導(dǎo)致材料韌性降低；曲軸的化學(xué)元素存在偏析，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高，導(dǎo)致材質(zhì)變硬變脆，缺口敏感性也相應(yīng)增強(qiáng)，容易產(chǎn)生裂紋源。

(2)分析斷口的微觀形貌，可以看到疲勞輝紋，為典型的疲勞斷裂斷口形貌特征，由此可以判斷曲軸發(fā)生疲勞斷裂。

(3)曲軸表面鍍層厚度不均勻，說明在對(duì)曲軸進(jìn)行電鍍處理時(shí)，電鍍時(shí)間不足，不完善，鍍層和基體的結(jié)合不好，在結(jié)合處產(chǎn)生應(yīng)力集中，鍍層和結(jié)合層中有發(fā)紋和微裂紋存在，易引起泵曲軸斷裂。

4　改進(jìn)措施

(1)對(duì)于泵曲軸材料為42CrMo，建議改善材質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)，在選材和熱處理過程中要盡量使材質(zhì)組織均勻，減少內(nèi)部夾雜物，材質(zhì)成分要符合標(biāo)準(zhǔn)要求，這樣可以提高其力學(xué)性能和耐腐蝕性能。

(2)控制好曲軸表面電鍍時(shí)間，確保電鍍效果，使鍍層均勻致密，消除發(fā)紋和微裂紋；電鍍過程要保證鍍層與基體結(jié)合良好，避免結(jié)合部位出現(xiàn)應(yīng)力集中。

[1] 葉曉琰,蔣小平,許建強(qiáng),等.往復(fù)泵曲軸疲勞可靠性分析[J].機(jī)械工程,2008,44(10):272-276.

[2] 徐中明,牟笑靜,彭旭陽.基于有限元法的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸靜強(qiáng)度分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2008,31(9):977-981.

[3] 《往復(fù)泵設(shè)計(jì)》編寫組.往復(fù)泵設(shè)計(jì)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1987.

[4] 胡世炎.破斷故障金相分析[M].北京：國防工業(yè)出版社,1979.

[5] 孫智,江利,應(yīng)鵬展,等.失效分析——基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[6] 梁耀能,梁思祖.機(jī)械工程材料[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社,2002.

[7] 廖景娛.金屬構(gòu)件失效分析[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

(責(zé)任編輯：柳豐)

Analysis on Breakage of Reciprocating Pump Crankshaft

WU Ke， WANG Dacheng

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Guangdong University of Petrochemical Technology, Maoming 525000, China)

An accident of reciprocating pump crankshaft breakage is analyzed physically and chemically, and the analysis includes: macro and micro test of the fractured blade, metallurgical structure test, chemical components test and corrosion test. The results of the tests show that crankshaft breakage is featured by its fatigue fracture of mufti-source, which is caused by uneven crankshaft material and metallographic structure, big difference of hardness in different part, more inner inclusions, segregation of chemical element existing in crankshaft, high carbon content, uneven thickness of superficial crankshaft, bad combination of film and matrix, and stress concentration in juncture. Accordingly, this paper puts forward some relevant improvement measures.

Reciprocating pump; Crankshaft; Fatigue fracture; Failure analysis

2016-04-29；

2016-05-11

武科(1993—)，男，山西大同人，本科，主要從事石油化工設(shè)備工作。通信作者：王大成(1964—)，男，遼寧鐵嶺人，博士，教授，主要從事石油化工設(shè)備相關(guān)研究。

TH322

A

2095-2562(2016)04-0055-04