潤(rùn)滑油泵主動(dòng)軸斷裂分析及預(yù)防措施

王道祥

（中國(guó)石化揚(yáng)子石油化工有限公司，南京 210048）

0 引言

泵是石油化工生產(chǎn)時(shí)非常重要的設(shè)備，而泵軸是泵中極其重要的零件[1]，想要減少安全事故風(fēng)險(xiǎn)和增加企業(yè)生產(chǎn)效益，必須要求泵軸安全穩(wěn)定運(yùn)行。泵在服役過(guò)程中，泵軸的轉(zhuǎn)速很快，再加上加工、設(shè)計(jì)以及周圍環(huán)境等因素的影響，泵軸常發(fā)生斷裂事故，生產(chǎn)線會(huì)由于每次事故導(dǎo)致其非計(jì)劃停產(chǎn)，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失[2]，甚至還有安全隱患產(chǎn)生的可能。疲勞斷裂和腐蝕斷裂是泵軸常見(jiàn)的斷裂失效形式。泵軸的選材、受力與工作環(huán)境是影響這些失效形式的主要原因[3-4]。

2018年10月20日凌晨1:00左右，揚(yáng)子石化某廠壓縮機(jī)廠房?jī)?nèi)電機(jī)潤(rùn)滑油泵聯(lián)軸器油壓下降，備用泵自動(dòng)啟動(dòng)，后經(jīng)拆卸檢查發(fā)現(xiàn)為電機(jī)潤(rùn)滑油泵（型號(hào)GB201102B）主動(dòng)軸斷裂。該電機(jī)潤(rùn)滑油泵于2014年投入使用至主動(dòng)軸發(fā)生斷裂，期間并無(wú)明顯異常。主動(dòng)軸的材料為45#鋼，斷裂位置位于距離左側(cè)第二個(gè)臺(tái)階面0.5 mm處，其斷裂位置示意圖如圖1所示。

圖1 主動(dòng)軸斷裂位置示意圖

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 宏觀檢測(cè)

對(duì)斷裂后的泵軸進(jìn)行宏觀檢測(cè)，泵軸斷裂后形貌如圖2（a）、2（b）所示，斷口位置距軸左側(cè)端面0.5 mm。主動(dòng)軸斷口如圖2（c）、2（d）所示。由于試件發(fā)生斷裂后未及時(shí)取出，在一側(cè)斷口處可以觀察到明顯的摩擦磨損痕跡，斷口表面未見(jiàn)油污，斷面呈現(xiàn)金屬光澤。

圖2 斷裂軸及斷口形貌

如圖2（c）所示，根據(jù)主動(dòng)軸斷口的表面情況，大致可將該斷口分為A、B、C 3個(gè)區(qū)域。斷裂面與電機(jī)軸軸線相垂直，區(qū)域A凸起于整個(gè)斷面，呈傷疤狀；斷口區(qū)域B觀察到一定數(shù)量的疲勞輝紋，但由于斷口表面局部存在摩擦磨損的痕跡，未能由疲勞輝紋推得疲勞源所在位置；斷面外圈區(qū)域C可見(jiàn)由斷裂造成的臺(tái)階，整個(gè)外圈區(qū)域略微低于整個(gè)斷面。由圖2（c）可以觀察到，軸的斷裂面附近并未發(fā)生明顯的塑性變形，可以推斷，該軸斷裂過(guò)程十分迅速，前期沒(méi)有明顯征兆。

1.2 斷口微觀檢測(cè)

對(duì)失效后的泵軸斷口進(jìn)行超聲波清洗后，使用SEM掃描電鏡對(duì)其進(jìn)行微觀分析并觀察斷裂過(guò)程。區(qū)域A、B、C的掃描結(jié)果如圖3～5所示。

由圖2可知，軸斷裂的第一階段發(fā)生在軸邊緣處A區(qū)，并沿徑向和周向擴(kuò)展，誘發(fā)了裂紋的萌生，形成裂紋源。圖3（a）為圖2中A區(qū)域整體放大圖，在該區(qū)域發(fā)現(xiàn)了明顯的摩擦磨損痕跡，斷口表面有一定量的摩擦劃痕，如圖3（a）箭頭所指，且斷口表面凹凸不平，并伴隨著一定量的孔洞存在，如圖3（a）、3（b）所示。圖3（b）為孔洞區(qū)域局部放大圖，可以清晰地觀察到該區(qū)域存在許多不規(guī)則的孔洞。圖3（c）為A區(qū)域“傷疤”左側(cè)放大圖，圓圈處可以觀察到此處存在諸多細(xì)小的孔洞，將圓圈內(nèi)的細(xì)長(zhǎng)孔洞放大后得到圖3（d），可以觀察到孔洞內(nèi)部存在的臺(tái)階花樣。

圖3 A區(qū)域斷口形貌

第二階段為泵軸裂紋的擴(kuò)展階段，如圖4所示。泵軸斷裂B區(qū)域較為平整，在裂紋擴(kuò)展區(qū)域發(fā)現(xiàn)了較為明顯的疲勞輝紋，如圖4（a）所示。將該區(qū)域進(jìn)一步放大，疲勞輝紋的痕跡更為明顯，如圖4（b）所示，表明該樣品發(fā)生了一定程度的疲勞損傷并促使了裂紋的擴(kuò)展。

圖4 B區(qū)域斷口形貌

第三階段為泵軸的斷裂階段，即斷裂位置C區(qū)，如圖5所示。由圖5（a）可以觀察到該區(qū)域存在明顯的臺(tái)階狀形貌。斷裂試樣在最終斷裂區(qū)疲勞輝紋數(shù)量進(jìn)一步增加，并在斷裂臺(tái)階前產(chǎn)生了諸多的細(xì)小裂紋，如圖5（b）所示。

圖5 C區(qū)域斷口形貌

1.3 材質(zhì)金相檢測(cè)

從垂直于泵軸的軸向方向，切下一段長(zhǎng)為5 mm的部分，以此獲得化學(xué)成分測(cè)試試樣。利用FOUNDRY-MASTER PRO全譜直讀光譜儀，對(duì)斷裂的泵軸進(jìn)行成分檢測(cè)，測(cè)試3組試樣并計(jì)算其平均值，測(cè)試結(jié)果如表1所示，其成分滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》規(guī)定的含量范圍。

表1 泵軸化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

泵軸的材質(zhì)為采取了調(diào)質(zhì)處理的45#鋼，其金相組織為回火索氏體+少量的δ鐵素體組織，如圖6所示。其中，δ鐵素體如圖6（b）箭頭所示。

圖6 泵軸金相組織

將拋光后、未腐蝕的金相試樣放入顯微鏡中觀察組織中的夾雜物情況，如圖7所示。泵軸材料中存在一定數(shù)量的夾雜物。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)級(jí)》判定，鋼中含有如圖7（b）所示的氧化鋁，以及如圖7（c）所示的硫化錳等夾雜物。其中氧化鋁夾雜物呈顆粒狀，硫化錳夾雜物呈細(xì)長(zhǎng)條狀，且長(zhǎng)度方向上長(zhǎng)達(dá)81μm。

圖7 泵軸夾雜物形貌

圖8為泵軸斷口夾雜物形貌及成分。采用掃描電子顯微鏡并輔以能譜檢測(cè)，結(jié)果表明，斷口內(nèi)部韌窩底部存在一定數(shù)量的夾雜物。如圖8（a）所示，A-1處夾雜物呈細(xì)長(zhǎng)條亮紋狀，能譜檢測(cè)結(jié)果為MnS硫化物夾雜，如圖8（b）所示。A-2處夾雜物呈圓顆粒狀，能譜檢測(cè)結(jié)果為MgO、Al2O3和SiO2等氧化物夾雜，如圖8（c）所示。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果與金相下觀察到的形貌特征相吻合。通常而言，硫化物夾雜形貌呈細(xì)長(zhǎng)條狀，而氧化物夾雜形貌呈圓顆粒狀。

圖8 泵軸斷口夾雜物形貌及成分

1.4 力學(xué)性能檢測(cè)

從斷裂的泵軸中切取硬度試塊和拉伸試樣，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。從表2可以看出，泵軸的平均硬度值為325.6 HB，45#鋼在作為傳動(dòng)軸時(shí)要經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理，而45#鋼調(diào)質(zhì)硬度在228～285 HB之間，因此該樣品的平均硬度明顯高于標(biāo)準(zhǔn)GB/T699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》所規(guī)定的硬度。通常而言，調(diào)質(zhì)過(guò)程中，高溫回火溫度偏低、回火時(shí)間不足會(huì)導(dǎo)致材料硬度偏高、工件調(diào)質(zhì)處理不充分。

表2 泵軸硬度HBW性能數(shù)據(jù)

根據(jù)拉伸試樣標(biāo)準(zhǔn)GB/T228-2010中規(guī)定，從斷裂的泵軸部位取3個(gè)拉伸試樣，采用INSTRON 5582試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，屈服前的加載速率為0.3 mm/min，屈服后的加載速率為2.3 mm/min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，泵軸部位屈服強(qiáng)度約560.3 MPa；抗拉強(qiáng)度約870 MPa；斷后伸長(zhǎng)率16.3%；斷面收縮率55.7%，如表（3）所示；斷裂泵軸部位的拉伸性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。該標(biāo)準(zhǔn)范圍取自GB/T699-2015經(jīng)過(guò)熱處理（淬火+回火）后45#鋼的力學(xué)性能表。但是該標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定泵軸的拉伸性能的上限值。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可知，該泵軸的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均明顯高于標(biāo)準(zhǔn)，其結(jié)果類似于硬度測(cè)試結(jié)果。因此，盡管泵軸的拉伸性能滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的調(diào)質(zhì)要求，但強(qiáng)度略高。

表3 泵軸拉伸性能數(shù)據(jù)

2 分析與討論

泵軸在正常工作時(shí)只受到由扭矩產(chǎn)生的周向剪切力，當(dāng)這個(gè)周向剪切力超過(guò)軸的極限承載力時(shí)，材料將發(fā)生剪切破壞[5]。然而，在實(shí)際服役過(guò)程中，由于在動(dòng)力裝置與泵的裝配過(guò)程中不可避免地會(huì)存在一定的配合公差，所以當(dāng)主動(dòng)軸在正常工作時(shí)會(huì)受到由扭矩產(chǎn)生的周向剪切力，以及由配合公差所引起的彎曲載荷，這種受力情況可以簡(jiǎn)化為如圖9所示的模型。其中A和B分別為固定主動(dòng)軸的軸承；C端對(duì)應(yīng)為主動(dòng)軸外伸段，C的位置為動(dòng)力裝置與泵的連接位置；F為配合公差所引起的垂直于軸向的力，在扭矩與彎矩共同作用下，當(dāng)這兩種力的合力大于軸的極限承載力時(shí)，材料發(fā)生破壞。

軸的斷裂位置與理論模型中剪力和彎矩的最大位置相吻合，即斷裂位置位于距離第二臺(tái)階面0.5 mm處。因此，主動(dòng)軸發(fā)生斷裂失效的原因是：由于泵軸存在強(qiáng)度偏高、內(nèi)部組織存在夾雜物等問(wèn)題，并且由于配合公差所引起彎曲載荷的原因，軸受到扭矩與彎矩的共同作用，在扭矩與彎矩最大位置處的夾雜物產(chǎn)生應(yīng)力集中[6]，形成裂紋源。在這兩個(gè)力的共同作用下不斷地沿徑向擴(kuò)展，泵軸的有效承載面積不斷減小，當(dāng)軸的有效承載面積減小到不足以承受機(jī)構(gòu)載荷時(shí)，將導(dǎo)致泵軸發(fā)生疲勞斷裂失效。綜上所述，該泵軸斷裂的原因由彎矩、扭矩和夾雜物缺陷共同作用所引起的疲勞斷裂。

圖9 泵軸受力分析圖

3 改進(jìn)措施

本文對(duì)潤(rùn)滑油泵主動(dòng)軸斷裂的原因進(jìn)行了分析，不僅可以給各大潤(rùn)滑油泵生產(chǎn)廠家對(duì)泵軸的選材和熱處理工藝的完善提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)上的支持，還對(duì)各化工廠就潤(rùn)滑油泵的正確使用和定期檢測(cè)提出了一定的建議。

（1）在硬度測(cè)試中檢測(cè)出泵軸的硬度較大，導(dǎo)致材料的韌性和塑性較差，這可能是45#鋼在高溫回火溫度不足，因此在熱處理過(guò)程中需要嚴(yán)格控制溫度，定期對(duì)熱處理爐進(jìn)行校溫。

（2）金相組織分析中存在一定數(shù)量的夾雜物，這對(duì)材料的性能也有很大的影響，所以在生產(chǎn)過(guò)程中也要盡量保證材料的純度，防止外界有害元素滲入到材料中去。

（3）對(duì)于設(shè)備使用廠家來(lái)說(shuō)，應(yīng)使用黏度較高的潤(rùn)滑油來(lái)減輕主動(dòng)軸的磨損，定期檢查軸的磨損情況，定期更換潤(rùn)滑油，防止?jié)櫥椭械碾s質(zhì)對(duì)軸造成磨損。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）泵軸材料中檢測(cè)出一定數(shù)量的夾雜物，主要為富硫的MnS和富氧的Al2O3夾雜，其在泵軸失效過(guò)程中會(huì)造成一定影響。

（2）泵軸硬度為325.6 HB，高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的硬度最大值，軸硬度值偏高。屈服強(qiáng)度約560 MPa，抗拉強(qiáng)度約870 MPa，明顯高于標(biāo)準(zhǔn)要求的最低值。上述過(guò)程會(huì)造成泵軸的韌性不足，導(dǎo)致泵軸過(guò)早失效。

（3）主動(dòng)軸在發(fā)生斷裂前，其內(nèi)部已經(jīng)存在諸多的夾雜物，整根軸在外部載荷的作用下會(huì)在夾雜物處優(yōu)先形成應(yīng)力集中，以至于在夾雜物處會(huì)萌生出許多微小的裂紋，同時(shí)這些微小裂紋會(huì)在交變載荷的作用下不斷地被擴(kuò)展，最終造成整根軸的斷裂失效。