碳黑洗涤塔给水泵轴断裂失效分析.pdf

第 3 8卷第 5 期 2 0 0 9年 9月 石油化T设备 P ETRO— CHEMI CAL EQUI PMENT V0l _3 8 No． 5 Se pt ． 2 00 9 文章 编 号 ：1 0 0 0 7 4 6 6 ( 2 0 0 9 ) 0 5 0 0 9 6 — 0 4 碳黑洗涤塔给水泵轴断裂失效分析 杨 久 宜 ( 甘 肃 刘 化 ( 集 团 ) 有 限 责 任 公 司 ，甘 肃永 靖 7 3 1 6 0 3 ) 摘 要 ：通过 对碳 黑洗 涤塔 给水 泵 经 常发 生 断 轴 事故 的 问题进 行 失效 分 析 ， 发 现 3 8 C r Mo A1 A 泵 轴 表 面 经过 电镀硬铬 强 化 处理 工 艺后 ， 不仅使 泵轴表 面镀 层存 在微 裂 纹 ， 而且使 基体 材料 产 生 氢脆 损 伤 。微 裂纹 和 氢脆损 伤在反 复 弯 曲应 力和腐蚀 介 质 的作 用下 迅速 扩 展 ， 最 终 导致 泵轴 发 生腐 蚀 疲 劳断 裂 。分 析 结果说 明 ， 用 3 8 C r Mo A1 A 铜 制造 的碳 黑 洗 涤塔 给 水 泵 泵 轴 不 宜使 用 表 面镀 铬 的强 化 处 理 。 关键 词 ：碳黑洗涤塔 ；给水泵；泵轴；断裂 ；腐蚀疲劳 中图 分类 号 ：TQ 0 5 1 ． 2 1 ；TQ 0 5 0 ． 7 文献标 志码 ：B F a i l u r e An a l y s i s o f S h a f t Fr a c t u r e o f Ca r b o n Bl a c k S c r u b b e r Fe e d W a t e r Pu mp YANG Ji u — y i ( Ga n s u I i u h u a Gr o u p Co ． L t d ． ，Yo n g j i n g 7 3 1 6 0 3。Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Pu mp s h a f t f r a c t u r e i n f l u e n c e s t h e l o n g — c y c l e s t a b l e o p e r a t i o n o f t h e g a s i f i e r s e r i o u s — l y， a s t h i s f r e qu e n t l y h a pp e n s i n c a r b on bl a c k s c r u bb e r ．A f a i l ur e a na l y s i s o f t he f r a c t ur e d 3 8 Cr M o A1 A pu mp s ha f t wa s i mpl e m e n t e d ．The r e s u l t s s ho w t ha t ， ha r d c hr o m i u m e l e c t r o pl a t i ng e n ha n c e d pr o c e s s e s o n t he s ur f a c e l e a ds t o o v e r l a y c o a t i ng o f p ump s h a f t m i c r oc r a c k a nd ba s e ma — t e r i a l s hy d r og e n br i t t l e n e s s ． Af t e r pu m p s ha f t wi t hs t o o d t h e r e pe a t e d a c t i o n o f be nd i ng s t r e s s a nd c or r os i o n me d i um ，i t wa s d ue t o c o r r o s i on f a t i g ue f r a c t ur e ． The c o nc l us i on s ho we d t ha t 3 8Cr M oA1 A pu m p s ha f t i n a pp r op r i a t e l y e mpl o ys t hi s t y pe o f t r e a t m e n t t e c hni q ue ． K e y wor ds： c a r b o n bl a c k s c r u bbe r； f e e d wa t e r pu m p； p ump s h a f t ； f r a c t u r e； c or r o s i o n f a t i gu e 刘 化集 团化 肥 厂碳 黑洗 涤 塔给 水泵 ( 位 号 4 1 1 3 一 P 5 ) 经常发牛 泵轴 断裂 事故 ， 严 重影 响 了气化 装 置 的 连续长周期 运行 ， 成 为化 肥厂长周 期连续 生产 的一 大 障碍 。 碳黑洗涤塔介质为碳黑水 ， 水质 p H 值 4 ． 5 ～ 5 ． 3 ， 给水泵 设计 体 积流 量 为 1 4 2 m。 ／ h ， 出 口压 力 为 9 ． 9 5 3 MP a ， 入 口压 力 0 ． 2 1 7 MP a ， 人 口温度 1 2 O ～ 1 3 O℃ 。泵 轴材 料 3 8 C r Mo A1 A， 连续 运 行 时 间最 长 的 1 ． 5 a ， 最短 的仅 2 4 h。 3 8 C r Mo A1 A 为高 级 氮 化 钢 ， 具 有 优 良 的 氮 化 性 能 和力学 性 能 。一 般 进 行调 质 处 理 ， 其 具 体 工 艺 为淬 火加热 温 度 9 4 0℃ ， 保 温 时 间 根 据具 体 工 件 尺 寸大 小 确定 ， 一 般 为 3 0 ～6 O mi n ， 淬 火 介 质 为 水 或 油 ， 回火 温度 6 4 0℃ ， 水冷 或油 冷l 2 j 。表 面强化 渗 氮 处理 为T 件 加 工 的 最 后 一 道 工 序 ， 经 渗 氮 处 理 后 ， 3 8 C r Mo A1 钢 表 面可 获 得 高 硬 度 氮 化 层 ， 最 大 硬 度 可 达到 9 0 0 ～ 1 0 0 0 Hv ， 可 大 幅提 高 加 T 零 件 的疲 劳 强度 和抗 过热 性 ， 通 常用于 制造 高疲 劳 强度 、 高耐 磨 、 热 处理 后 尺寸 要求 高 的轴 、 杆类 零 部 件 ， 如塑 料 机 械 的机 筒 、 螺 杆等 J 。 文 中介 绍 对 该 厂 2台 连 续 运 行 3 0 d断 裂 的 3 8 C r Mo A1 泵轴 进 行失效 分 析 的情 况 。 1 检验 1 ． 1 化学成分和力学性能 分别 在 编号 为 1 和 2 的 断轴 上取 样 进行 材 料 收 稿 日期 ：2 0 0 9 — 0 4 2 7 作者简介 ：杨久宦 ( 1 9 5 4) ， 男 ， 四川 I 德 阳人 ， 1 二 程师 ， 学士 ， 长期从事化 肥厂设 备技术管理工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 杨 久 ： 碳 黑 洗 涤 塔 给 水 泵 轴 断 裂 失 效 分 析 化 学成分 分析 ． 结 果 见表 1 。结 果 表 明 ， 断裂 泵轴 材 料的化学成分符合文献[ 2 ] 中 3 8 C r Mo A | A的规定 。 轴 拉伸试 样 断于标 准 要 求值 以下 ， 所 以只提 供 了抗 拉 强度 数据 。试验 结 果 表 明 ， 冲击 值 低 于 图样 和标 2个 断裂 泵 轴 的力 学性 能试 验 结 果 见表 2 。泵 准要求 。 表 1 泵 轴 材 料 3 8 C r Mo Al A 化 学成 分分 析 ( 质 量 分 数 ) 名称 热处理状态 R ／ M[ a R ／ MP a 延伸率 A／ 回火态硬度／ HB 冲击吸收功 Ak ／ J 1 ． 2 宏观 检查 2个泵轴断裂的位置在同一端， 1 。 轴断面直径 5 0 ． 1 m n q ， 断 裂 的位置 距端 面 1 0 2 mm， 断 口较平 齐 ， 断面粗糙 ， 存 在疲 劳 裂 纹 扩展 的 弧 线带 。断 面 有 污 物 ， 清洗 后无金属光泽 。 呈铁灰 色 ， 单个裂纹扩 展区面 积约占整个断面的 1 ／ 2 ， 2个扩展区总面积较大。瞬 断 区相对面积较小且位 于中间 ， 起伏较 大 。整个 断裂 面呈反复弯 曲疲 劳特征 ( 图 1 ) 。2 轴断面直径 为 4 1 4 1 ~ q 1T t ， 断裂的位置距端面 6 7 ． 9 I~ iT I ， 断 口平齐， 表面多 源起裂 ， 起裂 源 区有 台阶 ， 表 面存在 应 力集 中。断面 有污物 ， 清 洗 后无 金 属 光泽 。 呈 铁 灰 色 和铁 锈 红 色 。 裂纹扩展 区面积 较 大 ， 大 约 占整 个 断 面的 9 5 。断 面粗糙 ， 存在疲 劳裂 纹扩 展 的弧线 带 ， 瞬 断 区位 于一 侧三角区， 面积较小， 起伏大。整个断裂面呈单向弯 曲疲劳特征 ( 图 2 ) 。两轴断 口附近 表面均 存在 纵 向、 环 向磨痕 和大片剥落蚀 坑( 图 3 ～图 4 ) 。 1 1 轴 断 口宏 观 形 貌 1 ． 3金相 组织 分别在 2个泵轴断 口附近取样 ， 进行表层至芯 部 的组织 观 察 以及 品粒 度 和 夹 杂 物评 定 。结 果 表 明 ， 泵轴 表层 为镀铬层 ， 厚 度 O ． 0 6 ～0 ． 1 0 r l -t I T I ， 镀 层 表 面存在 徽 裂 纹 ， 裂纹 底部 存 在 腐 蚀 坑 ( 图 5 ) 。泵 轴 基体 表面 金相组 织 为 回 火 贝 氏体 ， 芯 部 为 回火 贝 氏体 + 回火索 氏体 ， 晶 粒度 为 4 ～6级 ， 夹杂 物 级别 为 A1 ． O 、 B 1 ． 5和 D 2 ． o 。以上结果均符合文献 [ 2 ] 中对 3 8 C r Mo A1 A 的有关 规定 。 图 2 2 轴 断口宏观形貌 图 3 l 轴第 一个 台肩 附近 的剥落蚀坑 图 4 2 轴断 口附近瞎痕和剥落蚀 坑 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 0 9年第 3 8卷 图 5 镀 层 裂 纹 和基 体 腐 蚀 坑 1 ． 4 硬 度 对 2个 断 裂 的泵 轴 分别 进 行 表 面 洛 氏硬 度 、 镀 铬 层显 微 硬度 、 泵轴 横截 面洛 氏硬 度梯 度测定 ， 结 果 见表 3 。表 面 硬 度 和 横 截 面 硬 度 梯 度 测 试 结 果 表 明 ， 2个泵 轴 的热处 理效 果 不一 致 ， 且 无 明显 的硬 度 梯 度 。 1 ． 5 断口微观分析 2个 断裂 泵 轴 微 观 形 貌 存 在 环 向磨 痕 、 局 部 腐 蚀和 无规 则裂 纹 。起 裂 区 ( 表 面镀 层 ) 表 面 存 在 台 阶 ， 开 裂特 征 为沿 晶 +解 理 ， 镀层 和基 体结合 部位 存 表 3 2个 断裂的泵轴 硬度测定结果 在裂纹和腐蚀坑。扩展 区有沿晶氢脆特征和腐蚀特 征， 裂纹扩展的尖端为疲劳条纹+韧窝 ， 瞬断区为韧 窝 ( 图 6 ～ 图 8 ) 。 图 6镀 层 裂 纹 ( 沿 晶 +解 理 ) ( 6 0 0) 图 7 扩展 区沿 晶氢脆 ( 8 0 0 ) 图 8 裂 纹 尖 端 条 纹 + 韧 窝 ( 8 0 0 ) 断 口形 貌显 示 ， 轴 的断裂 面上存 在 裂纹 起源 、 裂 纹扩 展和最 后 瞬断 区 3个 特 征 区域 ， 为 典 型 的疲 劳 断裂 。疲 劳裂 纹起 始 于 表 面 缺 陷 ， 源 区为 泵轴 直 径 突 变部位 ， 存 在应 力集 中 ， 起 裂 部位 主要 为镀层 裂纹 和裂 纹 下的腐 蚀 坑 ， 呈 多 源 起 裂 特 征 。裂 纹 扩展 区 存 在裂纹 扩 展弧线 带 ， 断面 粗糙 ， 在微 观 上呈 现 了腐 蚀特征 。在疲劳裂纹扩展区除了存在腐蚀特征外还 存 在沿 晶氢 脆 的特 征 ， 裂 纹 扩展 的前 沿 即裂 纹 的尖 端 部位 可见 疲 劳条 纹 。瞬 断 区面 积 较 小 为 韧 窝 ， 说 明断 面承 受应 力较小 。 根 据 3个特 征 区域 的分 布 和 大 小 可 以得 出 ， 1 泵轴为双向弯曲疲劳断裂 ， 2 泵轴为单 向弯曲疲劳 断裂 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 杨久宜 ： 碳黑洗涤塔给水泵轴断裂失效分析 1 ． 6腐蚀产物分析 在 2个 断 裂 泵 轴 的 断 口表 面 上进 行 腐 蚀 产 物 X — r a y成分 分析和 结构分 析 ， 结果 见 表 4 。由表 4可 知 ， 介质 中 的主要有 害成份 为 C l ， 腐蚀 产 物主要 为 硅酸盐 、 氯化物 、 金属 氧化物 和金 属微粒 。 表 4腐 蚀产 物 X- r a y成 分 分 析 结 果 化 学 兀 素 1 *泵轴断面腐蚀产物 质量 分数 ／ 原子分数 ／ 2 。泵轴断 面腐蚀产物 质量分数 原子分数 O 0 ． 8 2 Na 1 ． 9 6 M g 0 ． 1 7 Al 1 ． 1 4 S i 1 ． 6 5 Cl 0 ． 9 0 K 0 ． 2 7 Ca 1 ． 3 4 Cr 1 ． 5 9 Fe 8 8 ． 9 2 MO 1 ． 4 5 2 结 果分 析 ( 1 ) 化学成 分 给水 泵 轴 材料 化 学 元 素 的质 量 分 数符合 文献 [ 2 ] 中 3 8 C r Mo A1 A 的规定 。 ( 2 ) 力 学 性 能 1 断 裂 轴 硬 度 范 围 2 4 0～ 2 5 0 HB ， 低于图样要求值 ； 2 断裂轴硬度范围 3 0 0 ～ 3 1 6 HB ， 略 高 于 图 样 要 求 值 。 冲击 试 验 结 果 表 明 ， 1 断裂 轴 和 2 断 裂 轴 冲击 功值 均 低 于 图样 要 求 ， 远低 于文献 [ 2 ] 中 3 8 C r Mo A1 调 质状 态的 冲击功 值 。 力学性 能不符 合 图样 要求 。 给水泵轴 经 过调 质 和 表 面 镀 铬 处 理 ， 2个 断裂 轴表 面镀铬层 厚度 不同 ， 硬 度也 不 同 ， 基 体组织 亦有 所差别 ， 材料 中 的碳 质量分 数偏差 较大 ， 说 明这 两个 轴不是 同一批 产品 。两轴 相 比 ， 2 。 断 轴 的碳 质 量分 数高 于 1 断 轴 ， 所 以硬 度 也较 高 ， 相 应 的 冲击 韧 性 较 低 。 ( 3 ) 金 相分 析 2个 断 裂 轴表 面 镀 铬层 均 存 在 裂纹 ， 裂纹 贯穿整 个镀 铬层 ， 在 镀层 和基体 间存 在裂 纹( 环向) 和腐蚀坑。电镀铬的镀层硬度高而脆， 很 容易开裂和剥落。在酸性腐蚀体系中， 镀层为阴极 ， 基体 为 阳极 ， 形成 了大 阴极 小 阳极 的电偶腐蚀 。 特别 是 当介质 p H 值小 于 7时 ， 可 使 基 体金 属 遭 受 严重 的局 部腐蚀 。 在 电镀铬 的过程 中 ， 由于钢 基 体 中氢 的渗 入 和 镀 层 内应 力 的影响 ， 镀铬后 钢 的疲 劳强 度明显 下降 ， 且 下降 幅度 与镀 层 和材料强 度呈 正 比。这种 表面缺 陷在应力 的作 用下 ， 成为应 力提升 源 ， 使 得材料 局部 产 生应力 集 中 ， 萌生 疲劳裂 纹源 。在使用 过程 中 ， 具 有 这种缺 陷 的镀 层工 件镀层 上 的裂纹还 可能扩 展到 基 体 ， 导致 高 强度钢制 件 的断裂H j 。 ( 4 ) 断 口分 析 泵 轴 断裂 是 交 变应 力 作 用下 的 腐 蚀疲劳 断裂 。断 面 上存 在 裂 纹起 源 、 裂 纹 扩展 和 瞬 断 区 3个特征 区 域 ， 根据 这 3个 特征 区域 的分 布 和 大小 ， 表 明断裂面 承受 的应力较小 ， 起 裂源 区存 在 应 力集 中 。微 观上在 大面 积裂纹扩 展 区都呈 现了腐 蚀 特征 ， 如腐蚀 产物 、 腐蚀坑 和 因腐 蚀 而显现 的金属 基体组织 ， 即泵轴处在一个交变应力的腐蚀环境 中。 1 泵轴 断面在 油介质 中 ， 2 泵 轴断 面在 碳黑 水介 质 中 ， 所 以其 腐蚀 程 度 较 1 泵 轴严 重 ， 2个 轴 断 面 腐 蚀 程度也 较符 合它们 的工况 使用条 件 。从 断 口微观 形 貌可知 ， 表 面缺 陷 和应 力 集 中 是 1 和 2 泵 轴 产 生 早期疲 劳断裂 的 主要 原 因 。 ( 5 ) 氢 脆泵 轴 断 裂 的另 一 个影 响 因 素是 存 在 氢脆 。根 据泵轴 的加 工图样 要求 ， 制 造泵轴 时 ， 粗 加 工 后要经 过酸洗 ， 精加 工后进 行镀铬 处理 ， 这 2个 工 艺 过程都 有 可 能 造 成 材 料 渗 氢 并 导 致 材 料 发 生 氢 脆 ， 泵轴表 面镀硬 铬 层 中存 在 的 裂纹 就 是 氢脆 的结 果 ， 泵轴基 体 中也 吸 附了较 多氢 ， 在 裂纹扩展 过程 中 显现 出氢脆 特征 。 3 结 语 分 析 结果 表 明 ， 泵轴 的 断裂 主要 为 腐蚀 疲 劳断 裂 。3 8 C r Mo A1 A材料 表 面 镀 铬 强 化处 理工 艺 导 致 了泵轴表 面镀 层 出现 微裂 纹 ， 基 体 材料 出现 氢脆 损 伤 ， 缩短 了泵轴 的疲 劳寿命 。材料 在服役 过程 中 ， 由 于反复 弯 曲应 力和 腐 蚀介 质 共 同作 用 ， 使 得 泵轴 发 生 了腐 蚀 疲 劳 断 裂 ， 说 明 3 8 C r Mo A1 A 泵轴 不 宜 使 用 表面镀 铬 的强化处 理 。 参 考 文 献 ： [ 1 ] 陈怀渝 ， 盂超春 ， 贺力奇 ， 等． 浅谈碳 黑洗涤泵断轴原 因及措施 [ 刀． 大氮肥 ， 2 0 0 1 ， 2 4 ( 5 ) ： 3 3 卜3 3 4 ． [ 2 ] GB ／ T 3 0 7 7 —1 9 9 9 ， 合金结构钢I s ] ． [ 3 ] 赵文聘 ， 杨健 ， 刘文萍 ， 等． 高性能户外 用聚丙烯家具 料的研 究[ J ] ． 塑料工业 ， 2 0 0 0 ， 2 8 ( 4 ) ： 1 5 - 1 6 ． [ 4 ] 李金桂 ， 赵闺彦． 腐蚀和腐蚀控制 手册[ M] ． 北京 ： 国防工业出 版 社 ， l 9 8 8 ． ( 杜编) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m