闭式泵轴断裂失效原因分析与对策.docx

闭式泵轴断裂失效原因分析与对策摘要：闭式循环水泵泵轴材质3Cr13属于中碳马氏体不锈钢。闭式循环水泵在运行过程中泵轴突然发生断裂导致闭式循环水泵停运影响了正常生产。经过对断裂的泵轴进行了断口形貌检验、光谱检验、金相组织检验和机械性能检验经过综合分析最后得出结论泵轴断裂属于疲劳断裂产生疲劳断裂原因是泵轴材料存在沿晶分布的网状碳化物分割了金属基体对强度影响不大但会使材料脆性增加冲击韧性大幅降低。关键词：泵轴；断裂失效；疲劳断裂；网状碳化物1概述某电厂闭式循环冷却水泵型号SX400-460卧式离心式流量2200m3/h扬程45米转速1450rpm。闭式循环冷却水泵作用是将介质（除盐水）加压后输送到各有关设备的热交换器再返回闭式循环冷却水泵入口形成闭式循环冷却水系统。该系统的补水来自闭式循环冷却水膨胀水箱。闭式循环水泵泵轴材质3Cr13属于中碳马氏体不锈钢因含碳较高故具有较高的强度、硬度、耐磨性和淬透性一般是在调质状态组织回火索氏体状态下使用。泵轴在转动过程中受到扭转力、支撑力、弯曲力和推力等受力情况比较复杂同时轴系还会振动。闭式循环水泵在运行过程中泵轴突然发生断裂导致闭式循环水泵停运影响了正常生产。2断裂原因分析为了查清闭式循环水泵泵轴断裂原因对断裂的泵轴进行了断口形貌检验、光谱检验、金相组织检验和机械性能检验详细分析如下。2.1断口形貌检验泵轴断口附近没有明显塑性变形泵轴断裂发生在键槽处键槽出现破裂损坏轴横断面上靠近键槽边缘处颜色较深（见图1）可观察到贝纹线形貌该处为裂纹源区在电子扫描显微镜下可见清晰的疲劳条纹形貌（见图2）。由此可见泵轴属于疲劳断裂首先轴键槽处产生小裂纹形成疲劳源然后泵轴在转动中的交变载荷作用下裂纹逐渐扩展最后扩展至临界尺寸不能承受交变载荷的作用导致突然断裂在瞬断区形成过载断裂形态。2.2光谱检验取泵轴光谱试样在SPECTROTEST光谱分析仪上进行化学成分试验分析结果见表1该轴化学成分含量与GB/T1220-2007《不锈钢棒》中3Cr13的要求相符说明泵轴材料化学成分正常。2.3金相组织检验在泵轴断面键槽附近沿轴纵向截取金相试样制样后使用FeCl3盐酸溶液进行腐蚀。从图3可见裂纹率先萌生于轴键槽处表面组织为均匀的回火索氏体组织晶界上出现了异常的网状分布的碳化物。在电子扫描显微镜下可清晰观察到晶界上的断续的网状碳化物形态（见图4）。泵轴出现晶界呈网状分布的碳化物一般是因为原材料在锻造或退火过程中加热温度过高或保温时间过长造成奥氏体晶粒粗大并在缓慢冷却中在奥氏体晶界上析出二次碳化物呈网状分布。网状分布碳化物的出现削弱了晶粒间的联系破坏了金属的联系性会使轴的机械性能尤其是冲击韧性急剧下降。2.4机械性能检验沿泵轴纵向截取拉伸试样和U口冲击试样在CMT5105电子万能试验机上进行材料拉伸性能试验在JB-300C冲击试验机上进行夏比摆锤冲击试验结果见表2材料的冲击吸收功在10.2-16.3Aku2/J之间均小于24Aku2/J表明泵轴材料冲击韧性较差不符合标准要求原因是金相组织中存在的沿晶网状分布碳化物。2.5断裂原因分析综上所述泵轴断裂属于疲劳断裂。闭式循环水泵运行中泵轴在复杂受力条件下首先在键槽形状突变处产生裂纹裂纹在轴交变载荷下经疲劳扩展至轴心部形成了最终宏观开裂。键槽处会出现裂纹主要是因为泵轴材料存在沿晶分布的网状碳化物分割了金属基体对强度影响不大但会使材料脆性增加冲击韧性大幅降低使泵轴容易产生裂纹和疲劳断裂。3Cr13出现沿晶网状碳化物一般是因为原材料的锻造或者退火温度过高所致该组织如果没有经过其它热处理工艺（如球化退火）进行改善就会保留在最终成型的泵轴中从而留下泵轴失效隐患。另一方面因轴键槽处为形状突变区易于产生应力集中在材料存在缺陷的情况下该处率先出现了开裂。3对策为了防止泵轴出现沿晶分布的网状碳化物防止泵轴出现疲劳断裂保证闭式循环水泵安全稳定运行特制定以下应对策略：（1）泵轴制造过程中应严格执行热处理工艺防止出现网状碳化物。当金相组织中出现网状碳化物时可采用正火或退火工艺。当网状碳化物不严重可以采用退火工艺。当存在较严重网状碳化物时可以正火1100±10℃空冷再根据钢种及硬度进行回火以消除应力而后按正常热处理工艺进行调质。（2）加强对泵轴质量检验验收工作。对泵轴进行金相检验、硬度检验、光谱分析必要时取样进行机械性能试验（特别是冲击韧性试验）及时发现不合格泵轴防止不合格泵轴投入使用导致事故。（3）优化泵轴键槽形状采用圆滑过渡结构