提高泵轴使用年限的实验分析.doc

提高泵轴使用年限的实验分析1 材质和性能检验采用 MTS880 材料测试系统进行室温力学性能检验，用JSM5600LVOxford2Inca 扫描电镜 2 能谱仪观察断口表面的非金属夹杂物的分布形态，对泵轴圆周表面处，泵轴阶梯部位圆角过渡表面处蚀坑内的腐蚀产物进行了 X 射线能谱显微分析1.1 外观检测由于受油品中腐蚀介质的腐蚀(防腐）作用，在轴的断裂部位及其附近的外表面形成了许多沿外表面环向密集分布大小与深度不等的蚀坑；在泵轴的阶梯过渡处，不仅圆角过渡半径太小，而且在圆角过渡半径处有明显的切削加工刀痕和较深的蚀坑其化学成分完全符合 GB/T 1220―1992《不锈钢棒》所规定的标准值1.2 力学性能检验从失效泵轴上切取纵向试样，机械加工成标准拉伸试样和冲击试样，测定其室温力学性能，失效泵轴室温下力学性能符合GB/T1220 所规定的标准值1.3 金相检验（1）非金属夹杂物断口附近的非金属夹杂物主要为铁的氧化物和铬的氧化物铁的氧化物呈粗大的，淡褐色边缘的灰色圆球状，铬的氧化物呈粗大的，紫色边缘的暗灰色圆球状，两者都呈现聚集成群的点状偏析分布，其级别都远大于 5 级，故两者之和远大于 10级，可见非金属夹杂物不符合两者之和不得超过 5.5 级的标准规定值，因此，夹杂物严重超标。

2）晶粒度泵轴的实际晶粒很细，晶粒大小均匀，晶粒度为7 级在室温下工作的钢材，晶粒度应为 4～8 级，而失效泵轴工作环境为 70℃，因此，晶粒度符合要求3）在显微组织泵轴显微组织中，从表面到心部均为保留马氏体位向的回火索氏体+沿晶界呈断续网状分布的粒状碳化物而3Cr13 马氏体不锈钢经调质后，正常的显微组织从表面到心部应为保留马氏体位向的回火索氏体失效泵轴所使用的 3Cr13 马氏体不锈钢是在退火状态下供货的，退火状态下正常的显微组织为粒状珠光体+沿晶界呈断续网状分布的粒状碳化物但此泵轴在淬火时的加热温度较低或保温时间过短，致使其粒状珠光体中沿晶界呈断续网状分布的粒状碳化物未全部溶入到奥氏体中去因此，泵轴在调质处理后，仍保留了退火组织中的粒状碳化物2 断口分析2.1 宏观断口分析泵轴试样断口宏观形貌如图 3 所示，断口表面呈比较平滑的细瓷状特征，没有明显的塑性变形迹象，故属于脆性断裂断口明显地分为 3 个区：疲劳裂纹的起始区，扩展区及瞬时断裂区1）疲劳裂纹起始区由图 3 可以看出，断口的上部表面平整，光亮，粗糙度较小，外侧棱边较钝，形成了所谓的拇指甲花样，故此部分为疲劳源区疲劳弧带以疲劳源为核心，似水波形式向外扩展，形成许多同心弧形带，故宏观的疲劳源区为点状疲劳源。

点状疲劳源具有辐射状的疲劳台阶，并指向疲劳源因此，断口上的疲劳裂纹源为阶梯轴圆角过渡半径处密集分布的尺寸较大，深度较深的蚀坑2）疲劳裂纹扩展区如图 3 所示，断口中部的唇边较钝，表面较平整，光亮，呈细瓷状，还有明显的，相互平行的，从疲劳源区开始向前推进的，呈贝壳或海滩状花样的疲劳弧带，它围绕的中心为疲劳裂纹源，故可判断此部分为扩展区而且，扩展区的开始阶段到中间阶段，疲劳弧带的条数很多且间距较小，弧形带较细密，说明泵轴材料的塑性较好，疲劳裂纹扩展较缓慢；疲劳弧带的间距是不规则的，说明泵轴在运行过程中，所承受的交变旋转弯曲载荷或应力是不规则的；但在扩展区的中间阶段到过渡阶段，疲劳弧带很不明显，说明泵轴材料的残余应力很小，在运行过程中所承受的交变旋转弯曲载荷变化不大3）瞬时断裂区断口的下部表面较粗，较暗，较钝，呈粗晶粒状的结构，有不大的最终倾斜角，并呈放射状的撕裂棱线，说明断裂速度很快的，故该区为瞬时断裂区疲劳断口上疲劳裂纹扩展区的区域大，瞬时断裂区的区域小，而且疲劳弧带更为平直，疲劳源只从一点开始，故它属于低应力疲劳断裂，断口为疲劳断口2.2 微观分析在失效泵轴疲劳裂纹的微观形貌中，没有发现疲劳断口的基本特征，即疲劳条纹或疲劳辉纹，据此不能判断其不是疲劳断裂，因为并不是所有的合金和在所有的情况下的疲劳条纹都清晰可见。

由于滑移系的差别，具有体心立方晶格的金属及合金其疲劳条纹不明显对于具有较大加工硬化的材料，断口上的疲劳条纹也不清晰，甚至在微观形貌中没有疲劳条纹失效泵轴所采用的 3Cr13 马氏体不锈钢，属于体心立方晶格的金属，是具有较大加工硬化的材料，故在其断口的微观形貌中的疲劳条纹不清晰，甚至没有疲劳条纹，而是呈现出准解理断裂特征1）非金属夹杂物在断口表面上的分布形态在扫描电镜下观察整个断口表面，非金属夹杂物（主要为 Cr2O3 和 Fe2O，还有SiO2，CaO 以及 MnS 等）呈聚集成群的点状偏析的形态分布，造成了泵轴材质组织的不均匀性，即使采用高温扩散退火，也不能消除这种组织的不均匀性，因此严重地降低了泵轴材质的疲劳强度和使用性能，这些夹杂物还起着缺口和应力集中的作用，引起疲劳裂纹，导致泵轴沿着点状偏析处过早地发生疲劳损坏，从而成为泵轴在使用过程中过早地发生疲劳断裂的直接原因2）微观断口分析由图 4 可知，失效泵轴的断裂为穿晶脆性断裂整个断口的微观形貌都呈准解理断裂的特征，即在断口表面上有许多很小的，界限不清晰的平坦的准解理小晶面，在这些小晶面上可以观察到一些短而弯曲的，起源于准解理小晶面中心并向四周放射出去的河流花样，这些河流花样起源于准解理小晶面心部的非金属夹杂物的质点处并向四周放射。

河流花样是各个解理裂纹向基体延性断裂时所形成的撕裂棱据此，可以判定失效泵轴的断裂，是在交变的旋转弯曲载荷的作用下，在泵轴阶梯部位的圆角过渡表面处的蚀坑处，产生了严重的缺口效应，形成了很高的局部应力集中，而引起的疲劳断裂3 腐蚀产物分析对泵轴圆周表面处，泵轴阶梯部位圆角过渡表面处蚀坑内的腐蚀产物进行了 X 射线能谱显微分析结果表明，腐蚀产物的主要成分为 O，Fe，S，Cl，Na，K 等元素，其中 Fe 来源于蚀坑内的金属基体中，而 O，S，Cl，Na，K 则来源于减顶油中所含的腐蚀介质中依此推断，腐蚀产物的组成主要为 Fe2O3，FeS，FeCl2.其中 Fe2O3的含量最多，而 FeS 和 FeCl2 的含量则较少腐蚀产物的成分和组成分析的结果可以说明，减顶泵在从减压塔顶的集油箱中抽出减顶油的同时，也抽出了一部分已经达到水蒸气结露温度的腐蚀介质HCl―H2S―H2O.在减顶泵的运行过程中，这种腐蚀介质则对泵轴的表面进行电化学腐蚀4 断裂原因分析4.1 圆周和圆角过渡表面蚀坑的存在减顶泵是减压塔顶的馏出系统，此部位的腐蚀介质为 HCl-H2S-H2O，分别来源于原油中无机盐类的水解，原油中存在的以及非活性硫化物受热分解而产生的活性硫化氢，原油中的水分和蒸汽。

在油品加工的条件下，它们对减压塔体进行化学腐蚀，生成的腐蚀产物 FeCl2 和 FeS 附在金属表面上，阻止或减缓腐蚀介质对减压塔体的腐蚀但是，当腐蚀介质随油气升至减压塔顶时，在回流段和馏出系统达到水的露点以后，凝聚在金属表面上的 HCl 气体，形成盐酸溶液盐酸溶液在水分子的作用下，电离成氢离子和氯离子泵轴在这样的强酸性溶液中进行着强烈的氢去极化腐蚀减顶泵泵轴在运行过程中受到 HCl-H2S-H2O 的腐蚀作用，因此在泵轴圆周和圆角过渡表面处形成许多大小不等，深度各不相同并密集分布的点蚀坑，蚀坑的底部比较尖锐，起着尖端缺口的作用，在应力的作用下将产生严重的缺口效应，造成局部应力集中4.2 截面尺寸的变化在泵轴圆角过渡表面处，截面尺寸急剧变化，因而产生了很高的局部应力，这种局部应力往往高于平均应力或以最小截面计算出来的应力值，从而引起局部应力集中的现象，降低了泵轴的疲劳强度和疲劳寿命，促进疲劳裂纹在泵轴圆角过渡表面处产生，扩展，最后导致泵轴突然断裂通常在设计轴的强度时，r/d≥011（r―台肩的圆角半径，mm；d―台肩处的直径，mm） 按此式计算的圆角半径应为 r≥715mm，而实测的半径为 r=1mm，因此，在轴阶梯部位截面尺寸突变处的应力值，随圆角半径的减小而增大。

所以，圆角半径越小，局部应力集中现象越严重，就愈容易导致泵轴产生疲劳断裂4.3 非金属夹杂物的存在在失效泵轴的断口表面上，有大量非金属夹杂物呈聚集成群的点状偏析的形态分布这些非金属夹杂物质点的强度接近于零，它们存在于钢中就等于在钢的基体上存在一个孔洞，破坏了钢基体的连续性，不仅大大降低了泵轴材质的疲劳强度和使用性能，而且在交变的旋转弯曲载荷作用下，将产生严重的缺口效应，形成很高的局部应力集中，促使疲劳裂纹沿着此面产生并加速扩展，从而导致泵轴过早地发生疲劳断裂5 结论与改进措施（1）泵轴材质中非金属夹杂物严重超标，而且在断口表面呈聚集成群的点状偏析分布，说明泵轴材质的质量很差因此要求非金属夹杂物呈细小的颗粒状，并均匀的分散分布，不允许在泵轴材质的局部部位呈聚集成群的点状偏析的形态分布，且几种非金属夹杂物之和不得超过 4 级2）该轴在交变的旋转弯曲载荷作用下，疲劳源产生于圆角过渡表面应力集中处，并不断扩展，直至最后断裂，属疲劳失效改进泵轴的结构设计，尽可能地加大泵轴的阶梯部位圆角过渡表面处的圆角半径，使之符合 r/d≥011 的规定，或者使其圆角过渡表面的连接接近于流线型和椭圆形3）改进措施为提高泵轴加工表面的光洁度，避免加工刀痕产生；控制泵轴淬火时的加热温度和保温时间，使泵轴经调质处理后的显微组织为马氏体位向的回火索氏体，不允许有碳化物沿晶界呈断续网状的形态出现。