液環(huán)泵泵軸及鎖緊環(huán)腐蝕失效分析

馬紅杰

（中國石油獨山子石化分公司研究院，新疆獨山子833699）

液環(huán)泵作為一種抽真空和輸送氣體介質的設備，被廣泛應用于石油化工行業(yè)。其工作原理為：在工作前偏心安裝的葉輪處于靜止狀態(tài)，工作液（形成液環(huán)的液體）存于泵腔的底部，當葉輪運動時，由于離心力的作用，工作液在泵體內形成一個液環(huán)。液環(huán)內表面與葉輪輪轂間形成的空間被葉輪葉片分割成若干個小腔體。葉輪每轉一圈，小腔體的容積先是逐漸增大形成真空，從吸氣口吸入氣體，隨后小腔體容積再逐漸縮小，氣體被壓縮并由排氣口排出。隨著氣體的排出，同時一部分液體也被夾帶排出，因此必須在吸入口補充一定量的液體，使液環(huán)保持恒定的體積［1-2］。由于工作液能夠帶走氣體熱量，起到冷卻的作用，因此，液環(huán)泵的熱力學過程近似為等溫過程，特別適用于輸送易燃易爆或溫度升高容易發(fā)生反應的氣體介質［3-5］。

某石化公司聚苯乙烯裝置抽真空系統(tǒng)液環(huán)泵在運行過程中發(fā)生異常，裝置緊急切出檢查，發(fā)現(xiàn)液環(huán)泵的泵軸、隔板和鎖緊環(huán)等構件均出現(xiàn)了不同程度的腐蝕失效，其中泵軸和鎖緊環(huán)因腐蝕嚴重必須更換，隔板需進行研磨修復方可使用。該液環(huán)泵為兩級葉輪，泵內主要構件為泵軸、葉輪及鎖緊環(huán)，材質均為0Cr18Ni9（304）奧氏體不銹鋼，介質為空氣、苯乙烯和乙苯（含有少量氯化物、硫化物）等混合氣體，設計溫度71℃，設計壓力500 kPa。對液環(huán)泵的泵軸和鎖緊環(huán)的腐蝕構件進行了化學成分分析、金相組織分析、微觀腐蝕形貌分析和腐蝕介質檢測，確定了液環(huán)泵的腐蝕失效原因，提出了防護建議。

1 液環(huán)泵失效綜合分析

1.1 液環(huán)泵失效后的宏觀檢查

液環(huán)泵拆開后檢查發(fā)現(xiàn)，一二級葉輪表面有一層致密、光亮的銀白色覆蓋膜，未見明顯腐蝕痕跡，葉輪輪轂側面較為粗糙；一二級葉輪隔板表面有少量的點蝕坑，且局部有指甲蓋大小的表面金屬脫落。鎖緊環(huán)表面的腐蝕形貌見圖1。

圖1 鎖緊環(huán)表面的點蝕形貌

由圖1可見，鎖緊環(huán)表面粗糙，整體有腐蝕減薄跡象，不銹鋼的金屬色已消失，表面布滿蜂窩狀的點蝕坑，坑內未發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物。在低倍顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)：鎖緊環(huán)表面有明顯的流體沖刷痕跡，方向與泵內流體流動方向一致。

泵軸表面的整體及局部腐蝕相貌見圖2和圖3。

圖2 泵軸表面的局部（b區(qū)）腐蝕形貌

圖3 泵軸表面的整體腐蝕形貌

由圖2和圖3可以看出：泵軸表面整體光亮干凈，泵軸a區(qū)有少量的點蝕坑，點蝕坑內殘存少量的黑色腐蝕產(chǎn)物；泵軸b區(qū)主要為安裝二級葉輪的部位，泵軸表面有明顯的沖刷痕跡，方向與泵內流體流動方向一致；隔板與二級葉輪之間的軸肩被腐蝕掉，成為了光滑的倒角，其上有一個橢圓形的腐蝕坑，坑內較光滑；泵軸c區(qū)有少量的點蝕坑，點蝕坑內殘存少量的黑色腐蝕產(chǎn)物。

從泵軸和鎖緊環(huán)的宏觀檢查結果來看，其腐蝕破環(huán)形式為沖刷腐蝕和點蝕。

1.2 液環(huán)泵化學成分分析

采用光譜儀對泵軸及鎖緊環(huán)材質進行化學成分分析，分析結果見表1。由表1可知，泵軸中Cr元素含量低于304不銹鋼Cr含量的標準值，其他各元素含量均符合要求；鎖緊環(huán)中C元素含量高于304不銹鋼C含量的標準值，Cr元素含量低于304不銹鋼Cr含量標準值，其他各元素含量均符合要求（Ni質量分數(shù)在允許誤差范圍 ±0.1%內）。因此，泵軸和鎖緊環(huán)的化學成分C和Cr均不符合0Cr18Ni9不銹鋼化學成分的標準要求。

表1 泵軸和鎖緊環(huán)的化學成分 w，%

1.3 失效液環(huán)泵金相組織分析

泵軸試樣金相組織見圖4和圖5。

圖4 泵軸橫截面的金相組織

圖5 泵軸縱截面的金相組織

由圖4可見，泵軸的金相組織為單一相奧氏體組織，可以判斷泵軸交貨前進行了固溶處理。在距泵軸表面大約0.5～0.6 mm區(qū)域內的奧氏體晶粒內有許多滑移線（可能是冷加工過程中形成或是轉動過程中受外力形成），表明固溶處理效果不好。此外，泵軸金相組織中晶界有大量的碳化物析出，增加了晶間腐蝕敏感性，泵軸已發(fā)生敏化。由圖5可見，泵軸表面有大量的腐蝕坑，腐蝕坑處晶間腐蝕明顯，且腐蝕坑內有晶粒脫落現(xiàn)象，其余金相組織特征與橫截面相同。

鎖緊環(huán)橫截面的金相組織見圖6。由圖6可見，鎖緊環(huán)為單一相奧氏體，鎖緊環(huán)表面有大量的腐蝕坑，腐蝕坑部位晶間腐蝕明顯，且腐蝕坑內有晶粒發(fā)生脫落。晶界處有碳化物析出，金屬敏化現(xiàn)象嚴重，增加了晶間腐蝕的傾向。在晶粒上明顯可見許多滑移線，表明鎖緊環(huán)雖經(jīng)過了固溶處理，但處理效果不佳，殘余應力沒有完全消除。

圖6 鎖緊環(huán)橫截面金相組織圖

采用金相顯微硬度計，對泵軸、鎖緊環(huán)的顯微組織硬度進行測試：泵軸硬度184.8 HV；鎖緊環(huán)硬度163.6 HV，均符合0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼的硬度要求。

1.4 泵軸的微觀形貌及腐蝕產(chǎn)物能譜分析

泵軸的微觀形貌及腐蝕產(chǎn)物能譜分析結果見圖7和圖8。由圖7可知：泵軸表面部分腐蝕坑內積聚大量亮白色的腐蝕產(chǎn)物，且腐蝕坑內晶粒已發(fā)生晶間腐蝕開裂，與金相組織中的晶間腐蝕現(xiàn)象相吻合。由圖8可知：腐蝕產(chǎn)物中除了金屬基體元素和物料本身元素外，還含有O，S和Cl等腐蝕性元素。

1.5 腐蝕介質分析

液環(huán)泵的輸送介質為含有空氣、苯乙烯和乙苯的混合氣體，該混合氣體經(jīng)液環(huán)泵排氣口進入氣液分離器，分離出的冷凝液進入換熱器冷卻，冷卻后再進入液環(huán)泵作為工作液的補充。取該冷凝液進行腐蝕介質分析，結果見表2。由表2可知，冷凝液pH值偏低，最小值僅為1.78，呈強酸性，且腐蝕性較強。冷凝液中含有大量腐蝕性介質氯離子，其質量濃度最高為2 194.41 mg／L。

圖7 泵軸表面的微觀腐蝕形貌

圖8 腐蝕產(chǎn)物能譜分析

表2 液環(huán)泵冷凝液中腐蝕介質分析結果

2 腐蝕影響因素

2.1 腐蝕介質的來源

某公司聚苯乙烯裝置引進國外工藝技術，采用本體連續(xù)法聚合工藝，生產(chǎn)不同牌號的抗沖級聚苯乙烯（HIPS）及通用級聚苯乙烯（GPPS）。為了提升產(chǎn)品性能，生產(chǎn)過程中加入了一些含有氯化物和硫化物的助劑，這些助劑在后續(xù)的工藝流程中，遇到水發(fā)生水解，生成含有HCl和H2S的酸性腐蝕溶液，從而導致與其接觸的設備及管道發(fā)生嚴重的酸腐蝕。根據(jù)裝置的生產(chǎn)工藝流程，助劑水解產(chǎn)生的腐蝕介質隨同物料一起進入液環(huán)泵，而進入液環(huán)泵的物料中除含有苯乙烯和乙苯外，還含有空氣，因此，液環(huán)泵的輸送介質中含有HCl，H2S和O2等多種腐蝕介質，在其共同作用下液環(huán)泵短期內便因發(fā)生嚴重腐蝕而失效。

液環(huán)泵中確實存在腐蝕介質HCl，H2S和O2，這從腐蝕產(chǎn)物能譜分析和腐蝕介質分析中都已得到證實，且腐蝕介質主要來源于裝置生產(chǎn)過程中加入的含有氯化物、硫化物的助劑以及物料中帶入的空氣。

2.2 工作液的影響

由液環(huán)泵的工作原理可知，液環(huán)泵在工作中需要注入工作液形成液環(huán)，進而實現(xiàn)抽真空作用。液環(huán)泵的輸送介質空氣、苯乙烯和乙苯中還含有腐蝕介質O2，HCl和H2S，這些氣相介質經(jīng)液環(huán)泵及氣液分離器冷凝后，其中的腐蝕介質HCl和H2S就會溶于凝結水中，形成含有HCl和H2S的凝液，而液環(huán)泵以其輸送介質的凝液（即空氣、苯乙烯和乙苯冷凝后的液相）作為工作液，因此，工作液是造成液環(huán)泵發(fā)生點蝕和晶間腐蝕的主要腐蝕介質。

從液環(huán)泵腐蝕介質分析結果可知：凝液（即工作液）的pH值明顯偏低，均小于5.0，凝液呈酸性，pH值最小僅為1.78，表明該凝液為明顯的強酸性腐蝕溶液；此外，凝液中氯離子的質量濃度高達2 194.41 mg／L，從而增加了奧氏體不銹鋼液環(huán)泵內構件點蝕及應力腐蝕開裂的風險，而氧的存在則對點蝕和應力腐蝕開裂起到了促進作用［6-7］。在凝液 HCl+H2S+H2O的腐蝕體系中，HCl的腐蝕占主導作用，其電化學腐蝕反應方程式如下：

2.3 材質的影響

泵軸的材質為304奧氏體不銹鋼，其化學成分中Cr元素質量分數(shù)的標準值為18%～20%，Cr元素是影響不銹鋼耐蝕性能的決定性元素，鋼中加入12%以上的Cr元素可以明顯改善鋼的耐蝕性能，如要更好地提升鋼的耐蝕性能，Cr元素質量分數(shù)應達到或超過18%～20%，甚至更高。但腐蝕失效泵軸和鎖緊環(huán)的化學成分中Cr元素質量分數(shù)僅為16.8%，明顯低于標準值，導致其耐蝕性能下降，其點蝕和晶間腐蝕的敏感性增加。

除了泵軸和鎖緊環(huán)化學成分中的Cr元素含量低于標準值外，鎖緊環(huán)中的C元素質量分數(shù)卻明顯高于標準上限值0.08%，高達0.14%。碳是不銹鋼敏化的關鍵性元素，對金屬晶間腐蝕影響較大，不銹鋼中碳質量分數(shù)小于0.08%時，碳化物的析出量較少；但是當其大于0.08%時，碳化物析出量將迅速增加［8-9］。泵軸和鎖緊環(huán)金相組織分析結果表明，其晶界上有大量碳化物析出（其受熱過程中可能在敏化溫度區(qū)停留時間較長），造成晶間貧鉻，使不銹鋼發(fā)生晶間腐蝕的傾向增加，從而增加了不銹鋼的晶間腐蝕速率［10］。

泵軸和鎖緊環(huán)在凝液的HCl+H2S+H2O腐蝕環(huán)境中，由于自身化學成分不符合標準要求，其耐蝕性元素Cr含量低于標準值，而元素C含量大于標準值，這是導致液環(huán)泵泵軸和鎖緊環(huán)發(fā)生點蝕和晶間腐蝕的主要影響因素。

3 腐蝕原因

液環(huán)泵在工作過程中接觸含有HCl和H2S等腐蝕介質的工作液，由于工作液呈強酸性、腐蝕介質氯離子含量偏高，腐蝕性較強，從而導致液環(huán)泵的泵軸、鎖緊環(huán)等奧氏體不銹鋼構件表面發(fā)生了嚴重的點蝕。泵軸、鎖緊環(huán)等不銹鋼構件的化學成分中Cr元素含量低于標準值，使其抗點蝕性能下降，對于液環(huán)泵的HCl+H2S+H2O腐蝕環(huán)境而言，更是加重了泵軸、鎖緊環(huán)等不銹鋼構件的點蝕，導致其短期內出現(xiàn)大量的點蝕坑。

液環(huán)泵在運行過程中，含有腐蝕介質的流動的凝液與高速運轉的泵軸及鎖緊環(huán)接觸后，對其表面造成嚴重的沖刷腐蝕。由于與二級葉輪相配合的泵軸軸肩部位呈直角結構，軸肩部位易存在機加工缺陷（毛刺、劃痕等），這些因素都有可能導致軸肩部位成為腐蝕優(yōu)先發(fā)生的活性區(qū)，因而腐蝕較其他部位嚴重，被沖刷腐蝕成光滑的倒角形貌。

從泵軸、鎖緊環(huán)的金相分析結果知，金屬晶界上有大量碳化物析出，敏化現(xiàn)象嚴重，致使晶界出現(xiàn)貧鉻現(xiàn)象。當該金屬處于HCl+H2S+H2O的電化學腐蝕環(huán)境中時，晶界部位由于貧鉻，電化學反應活性上升，電位降低，成為電化學腐蝕反應的陽極而被腐蝕，晶粒部位則成為電化學腐蝕反應的陰極區(qū)域，受到保護，在金屬表面形成了一種“大陰級、小陽級”的電化學腐蝕反應體系。一方面泵軸和鎖緊環(huán)金屬的晶界上析出了大量的碳化物，增加了晶間腐蝕的敏感性；另一方面，介質腐蝕性強增加了晶間腐蝕速率，在上述兩方面影響因素的促進下，金屬發(fā)生了嚴重的晶間腐蝕，而且隨著晶間腐蝕的持續(xù)，晶粒間的結合力下降，并沿晶界處發(fā)生開裂，導致局部晶粒發(fā)生脫落。

4 結論及建議

（1）液環(huán)泵泵軸及鎖緊環(huán)的腐蝕失效是點蝕、沖刷腐蝕和晶間腐蝕三種腐蝕形式共同作用的結果，液環(huán)泵工作液中含有的HCl，H2S和O2等腐蝕介質為各種腐蝕的發(fā)生提供了典型的腐蝕環(huán)境。

（2）Cr元素含量偏低、晶界有大量碳化物析出和工作液腐蝕性較強是導致液環(huán)泵泵軸及鎖緊環(huán)出現(xiàn)點蝕及晶間腐蝕的主要影響因素。

（3）建議泵軸及鎖緊環(huán)材質建議升級為316L，該材質具有良好的抗點蝕和耐晶間腐蝕的能力，且必須對新更換泵軸及鎖緊環(huán)材質進行成分、金相和硬度分析，要求各項指標符合標準要求。建議采取液環(huán)泵的工作液中注無鹽水或有機胺的工藝防護措施，目的在于稀釋或中和工作液中的腐蝕介質。定期進行監(jiān)測腐蝕介質，將其腐蝕介質含量控制在可接受范圍內。