急冷水泵轴断裂失效分析.docx

急冷水泵轴断裂失效分析【摘要】某车间急冷水泵于1995年投入使用一直运行至今从未更换过。2011年3月12日发现机械密封泄露随即切泵检修发现泵轴整体断裂。采用宏观检验、化学成分分析、硬度检测以及金相组织检验等方法对此断轴进行了综合分析。结果表明：该轴断裂主要原因是制造过程中热处理不好以及高周疲劳。【关键词】断轴；热处理；疲劳【作者简介】孙晓伟（1981-）男工程师2009年毕业于中国石油大学（北京）化工过程机械准专业获硕士学位现在中国石油化工股份有限公司烯烃部设备管理部从事动设备管理工作。联系方式：63822456某厂乙烯装置有三台相同型式的离心泵均为BB1型卧式轴向中开的双支离心泵为1995年投用。自2011年2月份以来该泵运行期间轴振动烈度数值较高车间于2月中旬对其进行监控运行。2011年3月12日21点30分车间操作人员巡检发现该泵两侧轴端机械密封泄漏随即启动备用泵将该泵做隔离倒空处理。对其进行解体检修处理时发现转子组件主轴断裂如图1所示：一.泵的主要参数设计流量：827M3/h；扬程：77M；轴功率：290KW；转速：1480rpm；输送介质：急冷水；泵轴材质：AISI4140相当于国产的42CrMo。二.检验与分析2.1宏观检验对断轴进行宏观观察发现泵轴断裂部位位于轴套一端靠近叶轮侧断口外沿平齐没有明显的宏观塑性变形为脆性断裂[1]。断裂起源于轴的键槽附近部位断口由清晰可见的三个区组成即疲劳源区（图2的A区）；疲劳裂纹扩展区又称贝纹线区（图2的B区）以及最后断裂区或瞬断区（图2的C区）[2]是典型的疲劳断裂断口见图2。疲劳源区是疲劳裂纹的核心区。一般在轴的表层或近表层是一个非常光滑的区域这主要是由于疲劳裂纹在该区扩展速度很慢及疲劳裂纹反复张开闭合而使断面磨光的缘故。图2的B区为疲劳裂纹扩展区其形态如贝壳状又称贝纹线区。由于泵轴在旋转的同时还承受附加弯曲应力因此该贝纹线不是等距离的。当疲劳裂纹扩展到一定尺寸后轴所剩材料面积不足以承受外力时便产生快速断裂从而产生了最后破坏区宏观表现为高低不平的粗糙的灰色断口。同时因为该泵轴为旋转弯曲疲劳断裂。故其最后破坏区的位置不在裂纹源的对面而是相对于轴的旋转方向偏离一个角度。同时断口附近的轴表面还覆盖着一层较为光亮的金属通过宏观比对确认该覆盖金属应为开裂后在运行过程中摩擦所致如图3。整体观察发现泵轴表面有灰黑色腐蚀产物并有点状腐蚀坑存在见图4。2.2化学成分分析对断裂泵轴进行化学成分光谱分析主要合金元素含量见表1符合参照的标准GB/T3077-1999《合金结构钢》中42CrMo的Cr、Mo、Mn含量范围。2.3硬度检测对轴的断面沿径向进行布氏硬度检验测试部位如图5所示每一测点沿轴端面均布测试四个点并取其平均值。具体测值如下表2：由测试值可以看出硬度值由表面至芯部逐渐降低表面硬度较高芯部硬度较低。2.4金相检验对断轴断面进行金相检验从轴外表面向芯部共取3点取点部位见图6。外表面附近金相组织为回火索氏体组织较为细小均匀为调质处理后的正常组织如图7。中间部位金相组织为回火索氏体+少量铁素体如图8。芯部金相组织为回火索氏体+条（块）状铁素体组织较为不均匀见图9所示。3失效原因综合分析（1）从宏观检验来看该轴是由于疲劳运行导致的脆性断裂。疲劳裂纹的核心区在轴的表层是一个非常光滑的区域这是由于疲劳裂纹在该区扩展速度很慢及疲劳裂纹反复张开闭合而使断面磨光的缘故。（2）从轴的光谱化学分析来看其合金元素含量均在国家规定的标准范围值之内排除了材质方面存在问题的可能。（3）对选取的轴端面半径方向均布的四个测点进行硬度测试并取其平均值结果显示该轴硬度值也在国家规定的标准值范围之内排除了该轴在制造过程中相关调质处理等方面存在问题的可能。（4）从金相检验结果分析该轴从外表面附近较为细小均匀的回火索氏体金相组织到中间部位含有少量铁素体回火索氏体组织最后到轴中心部位含有条（块）状铁素体且组织较为不均匀的回火索氏体组织说明从轴的表面到轴中心部位铁素体含量越来越多回火索氏体越来越不均匀。从微观组织来看这也是该轴断裂的一个主要原因。同时轴上的键槽、表面的腐蚀坑等加剧了应力集中在上述因素的共同作用下轴产生了疲劳断裂。4结论该泵泵轴的断裂为高周疲劳断裂同时其表面的腐蚀又加速了断裂。5建议（1）利用泵检修或切换备台时对轴表面进行宏观