堿液泵軸斷裂的原因分析和改進(jìn)措施

黃忠明

(中國石化上海石油化工股份有限公司烯烴部，上海200540)

堿液泵軸斷裂的原因分析和改進(jìn)措施

黃忠明

(中國石化上海石油化工股份有限公司烯烴部，上海200540)

某裝置堿液泵于1989年投入使用，為單級(jí)離心泵，近年來發(fā)現(xiàn)堿液泵軸端部緊固葉輪處螺母固定絲扣部位經(jīng)常發(fā)生斷裂，對其斷裂原因進(jìn)行分析，認(rèn)為是由于堿腐蝕造成斷軸，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

堿腐蝕 斷裂原因 分析 處理

某公司2#烯烴聯(lián)合裝置新、老區(qū)新鮮堿液補(bǔ)入由堿液循環(huán)泵EGA215供給，該泵的穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到裂解氣的堿洗效果，堿洗效果差，會(huì)導(dǎo)致酸性氣體穿透、產(chǎn)品不合格、催化劑中毒、管道堵塞等嚴(yán)重后果，使得設(shè)備需頻繁進(jìn)行檢修，既提高了生產(chǎn)運(yùn)行成本，堿液的外溢又嚴(yán)重影響了周邊環(huán)境。文章通過采取有效改進(jìn)措施，提高設(shè)備運(yùn)行周期，降低維護(hù)成本，改善了周邊環(huán)境。

1 設(shè)備工藝流程及損壞情況

1.1 工藝流程

某公司2#烯烴裝置新、老區(qū)新鮮堿液由FB201罐引出，通過EGA215A/B/C堿液輸送泵增壓至1.5～1.7 MPa，到新區(qū)的堿液通過FIC22018調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流程后進(jìn)入DA2240堿洗塔上堿段，經(jīng)過堿洗后由底部循環(huán)泵EGA2244進(jìn)行循環(huán)使用；到老區(qū)的堿液通過FIC249調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)控制后進(jìn)入DA203堿洗塔上堿段，經(jīng)過堿洗后由底部循環(huán)泵EGA204將堿液循環(huán)使用。

新老區(qū)堿液需求量根據(jù)上堿段和下堿段堿液濃度進(jìn)行調(diào)整，一般堿洗塔上堿段NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在3%以下,下堿段NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0以上，新區(qū)堿液流量為0.95 t/h，老區(qū)堿液流量為0.65 t/h。

1.2 設(shè)備損壞情況

堿液泵于1989年投入使用，為荏原機(jī)械(中國)有限公司生產(chǎn)的單級(jí)離心泵，其設(shè)備參數(shù)見表1。由表1中可以看出設(shè)計(jì)流量偏大，介質(zhì)運(yùn)行溫度偏高。

表1 EGA215設(shè)備參數(shù)

近年來，由于裝置進(jìn)行增量改造和零部件國產(chǎn)化，發(fā)現(xiàn)堿液泵殼體腐蝕嚴(yán)重(見圖1(a)),軸端部緊固葉輪處螺母固定絲扣部位經(jīng)常發(fā)生斷裂(見圖1(b))。

(a)殼體沖蝕情況 (b)斷軸部位腐蝕情況

軸的材質(zhì)為SCM440(即42CrMo鉻鉬鋼)，半年左右就發(fā)生斷裂：2014年1月10日，泵運(yùn)行中密封泄漏，解體檢查發(fā)現(xiàn)泵軸端葉輪并帽處斷裂；8月4日，泵運(yùn)行電流大，密封泄漏，解體檢查發(fā)現(xiàn)泵軸葉輪鍵槽出斷裂。2015年4月27日，泵運(yùn)行中無量并伴隨密封泄漏，解體檢查發(fā)現(xiàn)泵軸端并帽處斷裂；12月1日，泵運(yùn)行中電流增大，密封微漏，停泵后解體發(fā)現(xiàn)葉輪并帽松動(dòng)，造成葉輪口環(huán)有摩擦現(xiàn)象，期間也有多次密封泄漏，只能更換密封。在這段時(shí)間也加大了該泵軸斷裂處軸徑，提高泵軸的耐剪切力和拉伸力，但仍有斷軸現(xiàn)象，該泵頻繁維修嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常性。為了查清堿液泵軸斷裂的失效原因，特進(jìn)行綜合分析。

2 原因分析

堿液腐蝕機(jī)理是破壞金屬表面的氧化膜，產(chǎn)生微小原電池發(fā)生電化學(xué)腐蝕。一般要發(fā)生堿液腐蝕需具備3個(gè)條件：一是較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaOH溶液；二是較高的溫度，堿脆的溫度范圍較寬，但最容易引起堿脆的溫度是在溶液沸點(diǎn)附近；三是拉伸應(yīng)力的影響，可以是外載荷引起的應(yīng)力，也可以是殘余應(yīng)力，或者是兩者的聯(lián)合作用。

2.1 NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

一般認(rèn)為金屬的原子量越大，堿的腐蝕性越強(qiáng)。鐵從中性到pH 9附近，由于氧的去極化而發(fā)生腐蝕[1]；在pH 10以上發(fā)生鈍化，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%的NaOH堿液中開始過鈍化腐蝕，以FeO2形式溶解。試驗(yàn)指出，質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%的NaOH堿液即足以引起鋼的堿脆，而以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%NaOH堿液最為危險(xiǎn)。

碳鋼在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的NaOH堿液中50 ℃時(shí)就可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕，應(yīng)力腐蝕破裂多數(shù)為陽極溶解引起，其反應(yīng)為：

材質(zhì)表面形成Fe3O4保護(hù)膜，此膜受應(yīng)力作用而破壞，繼而再鈍化使膜修補(bǔ)，當(dāng)這兩方面處于平衡時(shí)，發(fā)生陽極溶解型應(yīng)力腐蝕破壞[2]。為了掌握堿液泵工作介質(zhì)NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)，對其進(jìn)行了測定，結(jié)果見表2所示。

表2 堿泵工作介質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

根據(jù)分析結(jié)果，NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)23%(接近30%)，在局部不流動(dòng)區(qū)域很容易形成積聚，介質(zhì)濃度提高造成局部腐蝕加劇。一般而言，常溫的稀堿水溶液可以使鐵碳合金表面生成鈍化膜，膜為不溶性且很緊密，能保護(hù)底層金屬不繼續(xù)受到腐蝕。當(dāng)NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于30%時(shí)，膜的保護(hù)性就會(huì)隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而降低，腐蝕就會(huì)產(chǎn)生或更加嚴(yán)重。為了明確堿泵軸材料是否與原材料相符，對堿泵軸材料進(jìn)行了化學(xué)成分分析(見表3)，結(jié)果證明材質(zhì)確實(shí)為40Cr。

表3 堿泵軸材料各化學(xué)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

2.2 溫度的影響

堿腐蝕的溫度范圍比較寬，但最容易引起堿腐蝕的溫度是在溶液的沸點(diǎn)附近(見表4)。平時(shí)運(yùn)行中從泵殼上測得的溫度一般為65～70 ℃，分析解體檢修結(jié)果發(fā)現(xiàn)：一方面，設(shè)備本身存在一定的問題，如泵口環(huán)和喉部襯套的間隙經(jīng)常發(fā)生超標(biāo)的現(xiàn)象，有時(shí)達(dá)到6 mm左右，這是引起泵運(yùn)行溫度高的原因；另一方面，由于泵設(shè)計(jì)流量較大(6.95 t/h)，必須通過調(diào)節(jié)閥大量回流從而控制進(jìn)入新老區(qū)堿洗塔的流量，使得出口回流管線閥不能及時(shí)調(diào)控，造成介質(zhì)發(fā)生循環(huán)混流，導(dǎo)致介質(zhì)溫度上升。

表4 NaOH溶液的使用溫度上限

2.3 拉伸應(yīng)力的影響

發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的必要條件是要有拉伸應(yīng)力和特定的腐蝕介質(zhì)存在。拉伸應(yīng)力有兩個(gè)來源：一是殘余應(yīng)力(加工、冶煉、裝配過程中產(chǎn)生)，溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力及相變產(chǎn)生的相變應(yīng)力；二是材料承受外加載荷造成的應(yīng)力[3]，可以是外載荷引起的應(yīng)力，也可以是殘余應(yīng)力，或者是兩者的聯(lián)合作用。拉伸應(yīng)力的大小雖然是堿脆的一個(gè)影響因素，但更重要的因素是應(yīng)力的均勻與否，局部的拉伸應(yīng)力最容易引起堿脆。通過對泵軸斷口宏觀、微觀和金相進(jìn)一步分析泵軸斷裂的原因。

2.3.1 泵軸斷口宏觀形貌分析

從不同方向的宏觀形貌照片(見圖2)分析，泵軸斷口呈現(xiàn)出“疲勞”斷口的一些特征。但是應(yīng)力腐蝕破壞的斷口，其顏色灰暗，表面常有腐蝕產(chǎn)物，而疲勞斷口的表面，如果是新鮮斷口常常較光滑，有光澤。

圖2 宏觀形貌

2.3.2 泵軸斷口微觀形貌分析

分析斷口的微觀形貌(見圖3)可知：從起裂處斷口觀察,裂紋呈沿晶擴(kuò)展特征，如圖3(a)；從螺紋根部表面觀察,在螺紋根部表面存在表面微裂紋開裂情況，如圖3(b)；可以明顯觀察到晶界析出物被腐蝕特征，從擴(kuò)展區(qū)部位的斷口微觀形貌可以觀察到裂紋擴(kuò)展主要是沿晶方向，呈較為典型的沿晶斷口特征，同時(shí)可以明顯觀察到晶界析出物被腐蝕特征，如圖3(c)；從最終撕裂區(qū)附近斷口微觀形貌,與此前觀察一樣，斷口呈沿晶斷口特征,值得注意的是在裂紋起裂部位，斷口上沒有觀察到疲勞輝紋存在,說明堿泵軸斷裂并非是由疲勞載荷引起的疲勞斷裂，如圖3(d)。

(a)沿晶擴(kuò)展沿晶擴(kuò)展 (b)斷口微裂紋

(c)斷口晶界腐蝕 (d)斷口晶界

2.3.3 金相分析

將軸斷口沿縱向起裂區(qū)部位剖開后進(jìn)行金相分析(如圖4)，從中可以看出裂紋擴(kuò)展呈樹枝狀特征，呈現(xiàn)較為典型的應(yīng)力腐蝕裂紋特征。

圖4 裂紋擴(kuò)展呈樹枝狀

2.4 原因綜述

綜上所述，引起堿泵軸斷裂的失效原因是堿液造成的應(yīng)力腐蝕斷裂，應(yīng)力腐蝕造成的破壞是脆性斷裂，產(chǎn)生腐蝕斷裂的應(yīng)力往往低于材料的屈服強(qiáng)度，沒有明顯的塑性變形?？紤]到螺紋根部或絲扣聯(lián)接存在一定縫隙，極易造成NaOH聚集濃縮在該部位，使NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)大大超過30%。此時(shí)材料的保護(hù)膜極易遭到破壞，使堿液對晶界產(chǎn)生腐蝕，同時(shí)使晶界鈍化，引起應(yīng)力腐蝕沿晶裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致脆性斷裂。另一種理論認(rèn)為堿液能溶解晶界夾雜，從而削弱和松散金屬組織，在應(yīng)力作用下，產(chǎn)生沿晶斷裂。從斷口微觀形貌中可以看到晶界析出物被明顯的腐蝕的特征是上述斷裂機(jī)理的有力證據(jù)。

因此造成本次堿泵軸斷裂的失效原因是堿脆引起的泵軸斷裂。

3 改造措施

根據(jù)以上分析，泵存在結(jié)構(gòu)選型不合理，流量偏大等問題，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，采取以下措施進(jìn)行整改：

(1)更換結(jié)構(gòu)更合理的設(shè)備，將普通OH1型離心泵改造為旋殼泵，減少過流部件與介質(zhì)的接觸，同時(shí)縮短軸系長度，提高軸的強(qiáng)度。

(2)將流量由6.95 t/h降低至2.0 t/h，滿足工藝要求即可(留有一定的調(diào)整余地)，便于回流調(diào)節(jié)閥控制，避免泵體內(nèi)循環(huán)形成高溫現(xiàn)象。

(3)采用串聯(lián)式機(jī)械密封配套密封輔助系統(tǒng)，采用PLAN53A沖洗方案。加壓內(nèi)循環(huán)目的是改善機(jī)械密端面的潔凈度，并帶走摩擦付產(chǎn)生的熱量，提高密封的使用壽命。

(4)調(diào)整堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù),定期采樣分析，及時(shí)調(diào)整，將堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在20%左右。

(5)拆除進(jìn)出口管線保溫，增設(shè)旁路孔板，控制回流量，通過調(diào)節(jié)閥控制進(jìn)入堿洗塔的流量，將管線及殼體溫度由70 ℃降至48 ℃。

(6)加強(qiáng)巡檢質(zhì)量，巡檢時(shí)測溫，及時(shí)調(diào)整。

4 結(jié)語

泵軸的斷裂是由于堿液腐蝕造成的也就是堿脆造成泵軸斷裂，通過改進(jìn)泵的結(jié)構(gòu)、減少過流部件；增設(shè)密封沖洗系統(tǒng)，提高密封運(yùn)行壽命；生產(chǎn)過程中嚴(yán)格工藝紀(jì)律，掌控各項(xiàng)工藝指標(biāo)等措施。改造后泵已穩(wěn)定運(yùn)行一年多，證明此次設(shè)備結(jié)構(gòu)及工藝的改進(jìn)滿足設(shè)備長周期穩(wěn)定運(yùn)行的條件。

堿液泵EGA215泵的成功改造，延長了設(shè)備的使用壽命，確保了裝置的長周期運(yùn)行，取得了較顯著的效果，為今后同類型的泵改造提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和思路。

[1] 吳蔭順，曹備,左禹，等.陰極保護(hù)和陽極保護(hù)[M].北京:中國石化出版社,2015：8-9.

[2] 孫家孔，趙仲慧，趙凌云，等.石油化工裝置設(shè)備腐蝕與防護(hù)手冊[M].北京:中國石化出版社,1996:2-10.

[3] 楊啟明,李琴,李又綠,等.石油化工設(shè)備腐蝕與防護(hù)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2010：20-26.

Analysis on Fracture Causes of Alkaline Pump Shaft and the Improvement Measures

Huang Zhongming

(OlefinsDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.,Shanghai200540)

The alkaline pump of a plant was put into use in 1989,which is a single-stage centrifugal pump.In recent years,fractures frequently happened in the fixed screw nut thread at the fastening impeller of alkaline pump shaft end.Based on analysis,the cause of the fracture was concluded to be the corrosion of the alkali.The corresponding improvement measures were put forward.

alkali corrosion,fracture cause,analysis,treatment

2016-10-30。

黃忠明，男，1971 年出生，2003年畢業(yè)于上海第二工業(yè)大學(xué)企業(yè)管理專業(yè)，工程師，長期從事轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行管理維護(hù)工作。

1674-1099 (2017)01-0050-04

TG38

A