水環(huán)真空泵軸斷裂原因

周海彥, 陳仙鳳, 蒲建忠, 陳賢榮, 陳 琪, 郭 濤

(1.紹興市特種設備檢測院, 紹興 312071；2.紹興市特種設備智能檢測與評價重點實驗室，紹興 312071；3.浙江鴻盛化工有限公司, 紹興 312369)

水環(huán)真空泵被廣泛應用于石油、化工、機械及食品等眾多領域，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡便、環(huán)境適應能力強等特點。在實際生產(chǎn)應用中，水環(huán)真空泵常見的故障有閥片斷裂、異常振動、真空度下降等[1-2]。泵軸作為傳送動力的重要結(jié)構(gòu)，要求其具有良好的力學性能和幾何精度，其斷裂失效會嚴重影響機組的安全運行[3-4]。

相關研究表明，泵軸的斷裂原因通常是：材料存在金屬組織缺陷，導致其力學性能和韌性下降，在交變應力的作用下，泵軸發(fā)生疲勞開裂[5-6]；在富含鹵素的腐蝕環(huán)境中，泵軸易在鍵槽等縫隙處發(fā)生嚴重腐蝕，在循環(huán)疲勞載荷作用下，在應力集中區(qū)域發(fā)生腐蝕疲勞斷裂[7]。

某廠在3 a內(nèi)有6根水環(huán)真空泵軸發(fā)生斷裂,其工作介質(zhì)中含有氯、氮等元素，真空泵結(jié)構(gòu)及斷裂部位如圖1所示，轉(zhuǎn)速為970 r/min，功率為22 kW，泵軸材料為SUS304鋼，軸徑為70 mm。

圖1 水環(huán)真空泵結(jié)構(gòu)及斷裂部位示意

筆者對該水環(huán)真空泵經(jīng)常發(fā)生泵軸斷裂的原因進行了理化檢驗及分析，并提出合理建議，以避免類似事故的再次發(fā)生，保證裝置能長期、安全地運行。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

對斷裂泵軸進行宏觀觀察，發(fā)現(xiàn)泵軸斷裂于螺紋退刀槽處，該處存在一定的應力集中；軸斷面平整，有腐蝕痕跡[見圖2a)]。軸斷面存在兩處裂紋源，瞬斷區(qū)位于兩處裂紋源對面，軸斷面呈脆斷模式，與SUS304奧氏體不銹鋼的純機械斷裂模式不同。斷口附近軸柱面存在嚴重腐蝕，局部螺紋被完全腐蝕，呈黃棕色，腐蝕區(qū)域失去金屬光澤[見圖2b)]。進一步檢查螺紋鎖緊螺母與葉輪軸孔的腐蝕形貌，兩者均呈現(xiàn)明顯的縫隙腐蝕特征(見圖3)。

圖2 斷裂泵軸宏觀形貌

圖3 螺紋鎖緊螺母及葉輪軸孔腐蝕形貌

1.2 掃描電鏡分析

對軸斷面進行掃描電鏡(SEM)觀察，裂紋源1區(qū)及擴展區(qū)SEM形貌如圖4所示，圖4a)中可見明顯腐蝕坑，圖4b)為典型疲勞條帶形貌。

圖4 裂紋源1區(qū)及擴展區(qū)SEM形貌

1.3 能譜分析

對疲勞條帶區(qū)進行能譜分析，發(fā)現(xiàn)局部Cl-富集，整個斷面都有Cl-分布，局部硫、氧、鈉及鉀元素富集。能譜分析位置與結(jié)果如圖5所示，元素分析結(jié)果如表1所示。

表1 疲勞條帶微區(qū)元素分析結(jié)果 %

圖5 疲勞條帶區(qū)能譜分析位置與結(jié)果

1.4 金相檢驗

1.4.1 斷面顯微組織

在軸斷面上取樣進行金相檢驗，可見斷面顯微組織為奧氏體，并存在較多的點蝕坑，依據(jù)GB/T 4334—2020 《金屬和合金的腐蝕 奧氏體及鐵素體-奧氏體(雙相)不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》判定該組織為七類凹坑組織(見圖6)。

圖6 斷面顯微組織形貌

1.4.2 軸向顯微組織

將泵軸沿軸向切開，發(fā)現(xiàn)退刀槽口處存在垂直于軸向的擴展裂紋，裂紋起點、中端及尖端的顯微組織形貌如圖7所示。

圖7 退刀槽附近裂紋起點、中端及尖端顯微組織形貌

2 綜合分析

縫隙腐蝕是指在腐蝕介質(zhì)中金屬表面上、縫隙和其他隱蔽的區(qū)域內(nèi)發(fā)生的局部腐蝕?？籽?、墊片接觸面、搭接縫內(nèi)、沉積物下、緊固件縫隙內(nèi)是常發(fā)生縫隙腐蝕的地方。依靠氧化膜或鈍化層抗腐蝕的金屬在含氧的介質(zhì)中都會發(fā)生縫隙腐蝕，其發(fā)生原因是：縫隙內(nèi)為缺氧區(qū)，由于自催化效應，縫隙內(nèi)的溶液會從中性變?yōu)樗嵝?，陰離子會在縫隙內(nèi)的溶液中富集，引起縫隙內(nèi)的金屬表面狀態(tài)與縫隙外不同[8-9]。例如，鈍化膜破壞而使金屬表面成為活性溶解狀態(tài)。對于鈍性金屬來說，縫隙腐蝕過程原理上同點蝕(小孔腐蝕)過程一樣[10]。

對于黑色金屬的酸性腐蝕來說，析氫過程會引起金屬材料延性的降低而使其脆性增加，即引起“氫脆”。

綜合上述理化檢驗結(jié)果可知：該水環(huán)真空泵軸斷裂模式為應力、腐蝕、疲勞共同作用下的脆性斷裂。裂紋源位于退刀槽及附近區(qū)域，退刀槽尖銳，為形狀突變區(qū)域，易造成應力集中，腐蝕介質(zhì)導致的點蝕加速了裂紋源的產(chǎn)生，同時泵為偏心設置，軸轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生交變應力,導致疲勞條帶的出現(xiàn)，在扭轉(zhuǎn)剪切力的共同作用下裂紋快速擴展直至斷裂。

3 結(jié)論與建議

該水環(huán)真空泵軸在含有腐蝕介質(zhì)的環(huán)境下，其螺紋退刀槽附近發(fā)生縫隙腐蝕，同時在應力集中的疲勞交變載荷的作用下，產(chǎn)生裂紋并逐漸擴展，最終導致泵軸斷裂。

建議適當改進泵軸鎖緊結(jié)構(gòu)，如加裝防止介質(zhì)進入縫隙的端面密封鎖緊結(jié)構(gòu)；控制介質(zhì)的pH在7以上，避免酸性腐蝕；加大退刀槽圓弧過渡，進一步減小應力集中；更換泵軸材料，選用耐點蝕及Cl-腐蝕的材料；引入在線健康監(jiān)測系統(tǒng)，控制泵軸振動引起的交變應力。