電廠一級外供泵軸斷裂失效分析

王立坤，周揚，王艷芳，魏超，魏培生

（中國石油獨山子石化分公司，新疆克拉瑪依833699）

電廠一級外供泵軸斷裂失效分析

王立坤，周揚，王艷芳，魏超，魏培生

（中國石油獨山子石化分公司，新疆克拉瑪依833699）

泵軸斷裂失效，采用化學分析、斷口分析、硬度測試、金相檢驗和強度校核等方法，分析斷裂原因。結(jié)果表明，軸先關(guān)部位設(shè)計尺寸不滿足強度要求，材料熱處理工藝選擇不當。

泵軸；疲勞斷裂；調(diào)質(zhì)處理

0 前言

電廠車間3號爐一級外供泵斷軸，泵2009年投用，轉(zhuǎn)速0～2900 r/min變頻運行，輸送液體為一級除鹽水，密度1，輸送溫度20～30℃室溫，運行流量0～260 m3/h，揚程H=0～90 m，功率25 kW變頻運行。吸入液面壓力0.01 MPa，吐出壓力1 MPa，實際出口壓力0.9～1 MPa。軸一端連接聯(lián)軸器，一端連接葉輪，斷裂位置為軸連接葉輪端的根部（圖1）。

1 宏觀檢查

軸裂位置在軸輸出端連接葉輪端的變徑處（圖2）。斷口呈順時針旋轉(zhuǎn)狀（圖3），無明顯塑性變形，初步判定屬于脆性斷裂。斷裂過程存在多個臺階，最終斷裂區(qū)約占整個斷口面積的3/4，與斷軸機加工面呈45°。

用KH300VD顯微鏡觀察端口形貌（圖4）。斷口可分為A～F的6個區(qū)域，A區(qū)域明顯可見貝殼紋，形貌貝殼紋呈現(xiàn)凸型的同心圓。B，C區(qū)表面平滑，無可見特征紋理。D，E，F(xiàn)區(qū)有可見纖維狀撕裂形貌。F區(qū)分成兩部分一部分可見纖維狀撕裂形貌，另一部分為表面有明顯擦傷痕跡，擦傷部分存在少量變形。各區(qū)域交匯于接近軸心附近。將圖4中A，B區(qū)域放大后觀察其形貌（圖5），可以看到清晰的貝殼紋，貝殼紋的中心形成機加工時車削加工收刀處（圖6a），該區(qū)域表面存在大量腐蝕坑洞（圖6b）。B，C區(qū)同樣存在較小的貝殼紋，中心同樣開始于斷口邊緣機加工收刀處。

圖1 軸工作位置

圖2 斷口照片

2 成分分析

按照GB/T 4336—2002碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發(fā)射光譜分析方法（常規(guī)法），取斷軸橫截面樣品使用德國SPECTR公司M7型直讀光譜儀對斷軸進行成分分析。分析數(shù)據(jù)見表1，可知該軸選用的材料符合GB/T 699—1999優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中40#鋼成分要求。

3 硬度試驗

按照GB/T 4340.1-2009金屬材料維氏硬度試驗第1部分。試驗方法，取斷軸橫截面樣品，使用430SVD數(shù)顯維氏硬度計對整個橫截面進行硬度試驗。試驗依次從斷軸一側(cè)外表面向另一側(cè)外表面進行，檢測位置見圖6，實驗結(jié)果見表2。

圖3 斷口宏觀照片

圖4 放大后斷口形貌

圖5 區(qū)域放大形貌

根據(jù)檢測結(jié)果可以看到，該軸從外到內(nèi)，硬度值無明顯變化趨勢，僅中間部分4點硬度值比兩側(cè)的測試結(jié)果稍低10 HV5。

表1 成分分析數(shù)據(jù)w%

圖6 硬度試驗檢測位置示意圖

表2 硬度試驗數(shù)據(jù)HV5

4 金相試驗

按照GB/T13298—1991金屬顯微組織檢驗方法，使用德國蔡司研究級正立式智能數(shù)字萬能材料顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)AxioImagerA2m型金相顯微鏡進行金相檢驗。取斷軸橫截面樣品，制備金相檢驗樣品。經(jīng)過檢驗發(fā)現(xiàn)該軸外表面和心部位組織均為網(wǎng)狀鐵素體加珠光體，見圖7a～圖7i。圖7中a，b，c邊緣部分金相組織；d，e，f距邊緣1/4部分金相組織；g，h，i軸中心部分金相組織。

外表面處金相組織中珠光體層片狀分布形態(tài)不易分清，大部分呈團絮狀，鐵素體只有少部分在高倍下能看到魏氏體形貌。斷軸心部鐵素體基本都呈魏氏體形貌，鐵素體在晶界和晶界附近的晶內(nèi)均有分布。大部分珠光體呈團絮狀，但已經(jīng)清晰可辨，少部分呈層片狀分布。距邊緣1/4部分金相組織形貌介于邊緣和心部之間。鐵素體含量由外向內(nèi)逐漸增多，鐵素體網(wǎng)寬度也逐漸加寬，魏氏體長度也明顯增加。魏氏體組織評級由外到內(nèi)分別為1，2，3級。

5 強度校核

由于該軸僅起到傳遞扭矩的作用，故采用扭轉(zhuǎn)強度來校核該軸設(shè)計直徑是否滿足工作要求。將軸的設(shè)計參數(shù)代入公式（1）。

圖7 斷軸金相組織形貌

式中

d——軸的直徑，mm

P——軸傳遞的功率，kW

［τT］——為許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；本文按45#鋼來計算，取45#鋼下限值30 MPa

n——為軸的轉(zhuǎn)速，r/min

經(jīng)計算d≥24 mm，該軸斷裂部位設(shè)計尺寸為20 mm＜24 mm，故設(shè)計尺寸不滿足該軸所承受扭轉(zhuǎn)強度要求。

6 討論

軸斷口宏觀形貌無明顯塑性變形，在斷口A，B，C區(qū)可見貝殼紋，可判定該軸應(yīng)屬于多源疲勞斷裂。各區(qū)之間的交界處是疲勞臺階，多個疲勞臺階說明該處的應(yīng)力集中非常大。A區(qū)整個平面最為平坦，貝殼紋最清晰，貝殼紋占滿整個區(qū)域，面積明顯大于他區(qū)域，貝殼紋區(qū)域有大量腐蝕過的痕跡，疲勞裂紋開口后，空氣和環(huán)境中的物質(zhì)進入裂紋，形成腐蝕環(huán)境，可判定A區(qū)為初始疲勞區(qū)[1]。各區(qū)域擴展后交匯于斷軸心部。貝殼紋法線的方向代表了疲勞裂紋擴展方向，疲勞源形成于泵軸車削加時車刀收刀處，屬于結(jié)構(gòu)不連續(xù)位置，應(yīng)力狀態(tài)集中，容易形成裂紋源。應(yīng)力狀態(tài)與疲勞斷口多源、多臺階情況相符合。貝殼紋呈現(xiàn)凸形同心圓相貌，表明材料對缺口不敏感。軸使用的40#鋼屬于中碳鋼，以正火態(tài)作為最終熱處理，特別是存在大量魏氏體組織，缺口敏感性不強，也與貝殼紋形貌相符合。檢測斷軸橫截面硬度，外表面比內(nèi)表面略高，相差10 HV5，證明材料內(nèi)外力學性能能相差不大，這與金相檢驗內(nèi)外組織均為鐵素體加珠光體情況相符合。硬度值最高為228.8 HV5，最低為203.6 HV5，表明材料熱處理狀態(tài)為正火態(tài)，材料未經(jīng)過調(diào)制處理，這也與金相檢驗情況相符。金相檢驗證明，斷軸屬于不標準的正火態(tài)，存在魏氏體組織，特別是軸心部魏氏體組織評為3級。這種組織綜合力學性能很差，特別是工作中存在交變載荷時，經(jīng)過一定時間的使用就會發(fā)生疲勞斷裂。一般該類軸會選擇調(diào)質(zhì)態(tài)或正火態(tài)作為最終熱處理，而調(diào)質(zhì)處理較之正火態(tài)的軸，綜合力學性能好很多[2]，具有很強的抗疲勞性能。軸斷裂處直徑為20 mm，小于按扭轉(zhuǎn)強度計算的最小尺寸24 mm。綜上該軸熱處理狀態(tài)不佳，設(shè)計直徑偏小，在應(yīng)力集中位置發(fā)生了疲勞斷裂。

7 結(jié)論

軸熱處理狀態(tài)不佳，斷裂處設(shè)計尺寸小于按扭轉(zhuǎn)強度計算的最小直徑。由于長時間承受交變載荷，在機加工收刀處也就是應(yīng)力集中區(qū)域，形成疲勞源，最終發(fā)生斷裂。建議選擇調(diào)質(zhì)狀態(tài)作為最終熱處理工藝，保證材料具有足夠的抗疲勞性能。增加斷裂處直徑到25 mm，以滿足強度要求。

［1］吳連生.失效分析技術(shù)及其應(yīng)用第七講疲勞斷裂分析［J］.理化檢驗-物理分冊，1996，32（1）：57-64.

［2］張學彬，廖振華，蔣月娟，徐金富.40Cr鋼機油泵軸斷裂分析［J］.理化檢驗-物理分冊，2010，6（4）：257～258.262.

［3］GB/T 4336-2002，碳素鋼和低合金鋼火花源原子發(fā)射光譜分析方法（常規(guī)法）［S］.

［4］GB/T 4340.1-2009，金屬材料維氏硬度試驗第1部分：試驗方法［S］.

［5］GB/T 13298-1991，金屬顯微組織檢驗方法［S］.

［6］GB/T 699-1999，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼［S］.

〔編輯 利文〕

TH17

B

10.16621/j.cnki.issn.1001-0599.2017.02.17