第29卷第8期甘肅科技Vol. 29 No. 82013年4月Gansu Science and TechnologyApr.2013循環(huán)水泵軸斷裂原因分析魏立翠',郝文旭2(1.二十一冶金屬結(jié)構(gòu)分公司,甘肅蘭州730060;2.蘭州石化公司石油化工廠,甘肅蘭州730060)商要:通過(guò)分析循環(huán)水泵軸斷口的宏觀特征，校核了在單純剪切交變應(yīng)力作用下泵軸并不會(huì)發(fā)生疲勞斷裂,從而揭示了腐蝕環(huán)境對(duì)疲勞裂紋的重大影響,并提出了預(yù)防措施。關(guān)鍵詞:宏觀特征;交變應(yīng)力;疲勞斷裂;腐蝕環(huán)境;措施中圖分類(lèi)號(hào):TE964.071概述蘭州石化公司石油化工廠306A 循環(huán)水裝置內(nèi)有5臺(tái)型號(hào)為500S-59的單級(jí)雙吸水平中開(kāi)式循環(huán)水泵,其具體參數(shù)見(jiàn)表1。.表1循環(huán)水泵具體參數(shù)轉(zhuǎn)速流量揚(yáng)程軸功率油封(r/min) (m'/h)(m)(kW)形式7020205391填料密封圖1斷裂泵軸斷口 .1.斷裂截面光滑區(qū),2. 斷裂截面粗糙區(qū).2009年5月該裝置的2"循環(huán)水泵在運(yùn)行過(guò)程，表235"鋼機(jī)械性能中,負(fù)荷端軸承箱與填料壓蓋間泵軸突然發(fā)生斷裂，抗拉強(qiáng)度屈服點(diǎn)斷后伸長(zhǎng)率 斷面收縮率由于未能及時(shí)停下電動(dòng)機(jī),斷裂截面發(fā)生相互碰撞牌號(hào)(MPa)(% )產(chǎn)生的沖擊力,致使軸承箱托架根部產(chǎn)生裂紋,整體35"530315_20鑄造的下泵殼報(bào)廢。產(chǎn)生的剪切力。剪切力的大小隨電機(jī)轉(zhuǎn)速呈周期性變化,由此產(chǎn)生的交變應(yīng)力也隨轉(zhuǎn)速呈周期性變化，2斷裂原因分析且最大交變力與最小交變力大小相等,方向相反。2.1斷口宏觀特征分析即應(yīng)力特征:斷裂泵軸斷口,如圖1所示,呈現(xiàn)兩個(gè)截面不同r=σmin/σmx= -1的區(qū)域,-個(gè)是粗糙區(qū),-一個(gè)是光滑區(qū)，泵軸沒(méi)有明說(shuō)明泵軸承受的交變應(yīng)力為對(duì)稱(chēng)循環(huán)型,在對(duì)顯的塑性變形,離心泵軸斷口宏觀呈現(xiàn)疲勞斷裂形稱(chēng)循環(huán)交變應(yīng)力下校核泵軸斷裂截面的疲勞強(qiáng)度。態(tài)。光滑區(qū)是泵軸在- -定交變載荷作用下,構(gòu)件中已知:泵軸轉(zhuǎn)速n = 970r/min,軸功率Nw =薄弱處或較薄弱的晶體,沿最大剪應(yīng)力方向形成的391kW ,泵軸斷裂截面直徑d = 85.0mm,泵軸抗拉強(qiáng)滑移帶,滑移帶開(kāi)裂形成微觀裂紋,隨著循環(huán)次數(shù)的度ob =530MPa,取泵軸安全系數(shù)為[n]=1.7。增加，分散的微觀裂紋經(jīng)過(guò)匯聚溝通,形成宏觀裂1)計(jì)算工作應(yīng)力:紋。宏觀裂紋在持續(xù)交變力作用下不斷擴(kuò)展,構(gòu)件m= 9. 549Nw/n =9.549 x 391 x 103/970 =的截面逐步被削弱，這樣就由裂紋擴(kuò)展形成斷口的3849.1N●m光滑區(qū)。當(dāng)裂紋擴(kuò)展達(dá)到臨界尺寸時(shí)材料會(huì)突然τmas=m/Wp=3849.1/[II/16xd]=16x發(fā)生脆性斷裂,從而形成斷口的粗糙區(qū)。3849. 1/[3. 14 x85 x85 x85 x10-9] =31. 9MPa，2.2疲勞強(qiáng) 度校核2)確定τ_及各影響系數(shù): .離心泵軸材質(zhì)為35*鋼,其機(jī)械性能見(jiàn)表2。由泵軸材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度,確定剪切疲勞極限:忽略離心泵轉(zhuǎn)子組件自身的重力及轉(zhuǎn)子不平衡τ_1≈0. 23σb =0.23 x530= 121. 9 MPa產(chǎn)生的離心力,離心泵軸主要承受旋轉(zhuǎn)過(guò)程中扭轉(zhuǎn)斷裂截面處無(wú)尺寸變化,由尺寸變化引起的應(yīng)第8期魏立翠等:循環(huán)水泵軸斷裂原因分析59力集中可以忽略，即有效應(yīng)力集中系數(shù):的水膜。工業(yè)大氣中含有及較多的CO2、SO2等酸K,=1性氣體溶解倒水膜中,水膜中將存在下列平衡:由泵軸直徑及泵軸材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度,查表可得CO2 + H205H2COz≤H* + HCO3”影響構(gòu)件疲勞極限的尺寸效應(yīng)系數(shù):SO, + H20sH2SOzSH* + HSO3~ε, =0.71此時(shí)鐵(相對(duì)活潑的金屬)作為腐蝕電池的陽(yáng)由泵軸的表面加工方式及泵軸材質(zhì)的抗拉強(qiáng)極發(fā)生失電子的氧化反應(yīng);氧化皮、碳或其他比鐵不度,查表可得影響構(gòu)件疲勞極限的表面質(zhì)量系數(shù):活潑的雜質(zhì)做陰極,H*在這里接受電子發(fā)生得電子β=0.91的還原反應(yīng):3)校核斷裂截面疲勞強(qiáng)度陽(yáng)極(Fe) Fe-2e= Fe2+n, =efβr_:/[K,Tmx] =0.71 x0.91 x121.9/[1陰極(雜質(zhì)) 2H* +2e=H2↑x31.9]=2.45>[n]=1.7總反應(yīng)Fe+2H*= Fe2+ +H2↑因此在單純的交變應(yīng)力作用下,理論上離心泵由上述公式可知:在潮濕大氣的工作環(huán)境中,鐵軸不會(huì)發(fā)生疲勞斷裂。元素不斷被腐蝕生成鐵離子。腐蝕的結(jié)果導(dǎo)致在泵2.3疲勞斷裂原因分析軸的表面形成點(diǎn)蝕坑,在這些點(diǎn)蝕坑產(chǎn)生應(yīng)力集中，由2.1計(jì)算可知離心泵軸發(fā)生疲勞失效并不是當(dāng)腐蝕損傷達(dá)到某--臨界值時(shí),泵軸上便會(huì)形初始單純的交變應(yīng)力作用下的結(jié)果。從斷裂離心泵軸的疲勞裂紋。在交變力及腐蝕環(huán)境的共同作用下,初表面，可以看到泵軸表面附著一層“銹皮”, 除去這始裂紋不斷擴(kuò)展。當(dāng)裂紋長(zhǎng)度達(dá)到其臨界裂紋長(zhǎng)度些銹皮后,發(fā)現(xiàn)泵軸局部出現(xiàn)點(diǎn)蝕坑。在交變應(yīng)力時(shí),泵軸難以承受外界載荷,裂紋發(fā)生快速擴(kuò)展,最及腐蝕環(huán)境的共同作用下,泵軸發(fā)生了腐蝕疲勞。終導(dǎo)致泵軸突然斷裂。1)腐蝕疲勞特征:腐蝕疲勞在任何腐蝕環(huán)境中都可以發(fā)生,往往交變應(yīng)力低于材料的疲勞極限,它3腐蝕疲勞 預(yù)防措施與介質(zhì)的PH值、氧含量溫度及變動(dòng)負(fù)荷的性質(zhì)、交腐蝕疲勞既然是腐蝕環(huán)境與循環(huán)應(yīng)力的共同結(jié)變應(yīng)力的幅度和頻率都有關(guān)系。-般隨著PH值減果,那么腐蝕疲勞的控制主要包括以下三個(gè)方面:改小,含氧量增高、溫度上升腐蝕疲勞的壽命就越低,同進(jìn)設(shè)計(jì)改變材料和采取防護(hù)措施。針對(duì)于循環(huán)水時(shí)大幅度、低頻率的交變應(yīng)力更容易加快腐蝕疲勞。泵的具體情況,改進(jìn)設(shè)計(jì)或改變材料都是不太現(xiàn)實(shí)2)腐蝕環(huán)境的形成及腐蝕機(jī)理:的,因此要預(yù)防離心泵軸發(fā)生腐蝕疲勞,防止泵軸突由斷裂泵軸與軸承箱托架的結(jié)構(gòu),如圖2所示，然斷裂,應(yīng)該從控制腐蝕環(huán)境的形成及腐蝕缺陷的可以看出斷裂軸的工作環(huán)境是由軸承托架及弧形擋及時(shí)消除著手:水板形成的- -個(gè)相對(duì)密閉的空間。1)減少離心泵填料密封的泄露,保證泵軸工作空間潔凈干燥,減小潮濕空氣的對(duì)泵軸的腐蝕作用;2)認(rèn)真執(zhí)行循環(huán)水泵的計(jì)劃?rùn)z修,利用檢修期間對(duì)泵軸進(jìn)行磁粉探傷檢測(cè),及時(shí)消除泵軸早期形成的腐蝕缺陷,阻止初始疲勞裂紋的生成。44小結(jié)2大多數(shù)化工設(shè)備的工作環(huán)境較為惡劣,使用過(guò)程中應(yīng)該盡量為設(shè)備創(chuàng)造良好的工作環(huán)境,加強(qiáng)落圖2斷裂泵軸與軸承箱托架的結(jié)構(gòu)實(shí)計(jì)劃?rùn)z修,及時(shí)消除存在的設(shè)備隱患,才能保證設(shè)1.軸承箱托架,2.導(dǎo)流孔,3. 弧形擋水板,4.軸.備正常的使用壽命,避免由事故造成的不必要損失。由于離心泵采用填料密封,軸端存在循環(huán)水泄參考文獻(xiàn):露的情況,雖然泄露的循環(huán)水可以通過(guò)托架底部開(kāi)[1] 龔志鈺,李章政.材料力學(xué)[ M].科學(xué)出版社,2005.設(shè)的導(dǎo)流孔排出,但是由于軸工作空間相對(duì)密閉,致[2] 陳林根.工程化學(xué)基礎(chǔ)[M].高等教育出版社,2007.使泵軸的工作環(huán)境潮濕。在潮濕的空氣中,由于泵[3] 王榮主.金屬材料的腐蝕疲勞[ M].西北工業(yè)大學(xué)出軸表面的吸附作用,就是泵軸表面覆蓋了一-層極薄版社,2010.