摘 要:針對水環真空泵軸頻繁發生斷裂的問題,對泵軸進行了宏觀觀察、金相檢驗、掃描電鏡 及能譜分析。結果表明:泵軸斷裂的主要原因是在含有氯、氮等元素介質的環境下,泵軸螺紋退刀 槽附近縫隙處存在 Cl - 局部富集,加速了腐蝕;同時在應力集中和疲勞交變載荷的聯合作用下,泵 軸產生裂紋并逐漸擴展直至斷裂。 

關鍵詞:泵軸;縫隙腐蝕;應力集中;疲勞;脆性斷裂

中圖分類號:TG115.2                                        文獻標志碼:B                                文章編號:1001-4012(2022)07-0032-03

水環真空泵被廣泛應用于石油、化工、機械及食 品等眾多領域,其具有結構緊湊、操作簡便、環境適 應能力強等特點。在實際生產應用中,水環真空泵 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構,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,泵軸發生疲勞開裂[5-6] ;在富含鹵 素的腐蝕環境中,泵軸易在鍵槽等縫隙處發生嚴重 腐蝕,在循環疲勞載荷作用下,在應力集中區域發生 腐蝕疲勞斷裂[7]。

某廠在3a內有6根水環真空泵軸發生斷裂, 其工作介質中含有氯、氮等元素,真空泵結構及斷裂 部位如圖1所示,轉速為970r/min,功率為22kW, 泵軸材料為SUS304鋼,軸徑為70mm。

筆者對該水環真空泵經常發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,發現泵軸斷裂于螺 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 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,兩者均呈現明顯的縫隙腐蝕特征(見圖3)。

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 區及擴展區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。

1.3 能譜分析 

對疲勞條帶區進行能譜分析,發現局部 Cl - 富 集,整個斷面都有 Cl - 分布,局部硫、氧、鈉及鉀元素 富集。能譜分析位置與結果如圖5所示,元素分析 結果如表1所示。

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 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)。

1.4.2 軸向顯微組織 

將泵軸沿軸向切開,發現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。 

2 綜合分析 

縫隙腐蝕是指在腐蝕介質中金屬表面上、縫隙和其他隱蔽的區域內發生的局部腐蝕。孔穴、墊片 接觸面、搭接縫內、沉積物下、緊固件縫隙內是常發 生縫隙腐蝕的地方。依靠氧化膜或鈍化層抗腐蝕的 金屬在含氧的介質中都會發生縫隙腐蝕,其發生原 因是:縫隙內為缺氧區,由于自催化效應,縫隙內的 溶液會從中性變為酸性,陰離子會在縫隙內的溶液 中富集,引 起 縫 隙 內 的 金 屬 表 面 狀 態 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。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果可知:該水環真空泵軸 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域,退刀槽尖銳,為 形狀突變區域,易造成應力集中,腐蝕介質導致的點 蝕加速了裂紋源的產生,同時泵為偏心設置,軸轉動 過程中產生交變應力,導致疲勞條帶的出現,在扭轉 剪切力的共同作用下裂紋快速擴展直至斷裂。

3 結論與建議 

該水環真空泵軸在含有腐蝕介質的環境下,其 螺紋退刀槽附近發生縫隙腐蝕,同時在應力集中的 疲勞交變載荷的作用下,產生裂紋并逐漸擴展,最終 導致泵軸斷裂。 

建議適當改進泵軸鎖緊結構,如加裝防止介質 進入縫隙的端面密封鎖緊結構;控制介質的 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;引入在線健康監測系統,控制泵軸振動 引起的交變應力。

參考文獻: 

[1] 邱偉平,揭擇輝,姚 吉 飛.水 環 真 空 泵 常 見 故 障 分 析 [J].化學工程與裝備,2019(2):192-193. 

[2] 劉杉.水環真空泵常見故障分析 及 對 策[J].石 化 技 術,2019,26(5):38-39.

[3] 董雪嬌,吳安術,楊大巍,等.40Cr水泵軸斷裂失效原 因分析[J].鑄造,2021,70(11):1345-1349. 

[4] 崔正強,吾之英,汪德健,等.循環水泵泵軸聯軸器螺 栓斷裂分析[J].理化檢驗(物理分冊),2010,46(6): 406-408. 

[5] 唐春容,陳平,陳海,等.動力站堿液輸送泵泵軸斷裂 原因分析[J].理化檢驗(物理分冊),2018,54(2):129- 133. 

[6] 鄒龍江,周全,叢丹妮,等.316L不銹鋼泵軸斷裂原因 分析[J].理化檢驗(物理分冊),2014,50(5):356-358. 

[7] 姜勇,夏標,鞏建鳴.30Cr13不銹鋼循環水泵軸的失效 原因[J].腐蝕與防護,2020,41(5):69-72. 

[8] 蔡銳,趙金龍,吳鵬,等.L80油管螺紋接頭腐蝕原因 分析[J].理化檢驗(物理分冊),2019,55(4):278-281. 

[9] 巴發海,薛宇.熱交換器不銹鋼管泄漏原因分析[J]. 理化檢驗(物理分冊),2016,52(6):415-421. 

[10] 曹楚南.腐蝕電 化 學 原 理 [M].北 京:化 學 工 業 出 版 社,2008. 

<文章來源> 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 7期 (pp:32-34)>