高壓煤漿泵活塞桿斷裂原因分析

代松濤，蔡可慶

(江蘇索普〔集團〕有限公司，江蘇鎮江 212006)

江蘇索普(集團)有限公司多噴嘴水煤漿氣化裝置于2009年9月建成投產，氣化爐操作壓力為6.5 MPa(2開1備)，單臺投煤為1 500 t/d。煤漿輸送選用了德國FELUWA公司的高壓煤漿泵，該高壓煤漿泵在運行過程中曾出現軟管隔膜破裂、單向閥卡塞、變頻器過載、活塞桿斷裂等現象，給氣化裝置的正常運行帶來較大隱患。其中，高壓煤漿泵在運行過程中活塞桿出現2次斷裂現象：第1次是德國原裝活塞桿在運行13 263 h后斷裂，檢修時發現大齒輪在運行過程中有跑偏跡象，導致活塞桿在運行過程中產生剪切力，使其壽命縮短；第2次是國產替代活塞桿在使用1 859 h后斷裂(斷成3段)。

本文就氣化裝置運行過程中出現的高壓煤漿泵活塞桿斷裂異常現象，對引起活塞桿斷裂的原因進行分析，并找到相應的預防措施，以實現高壓煤漿泵穩定運行，提高氣化裝置的運行周期。

1 宏觀斷口分析

本次分析共選取德國原裝活塞桿及國產替代活塞桿各1根，其斷口宏觀分析照片分別見圖1和圖2。

圖1 德國原裝活塞桿斷口宏觀形貌

圖2 國產替代活塞桿斷口宏觀形貌

由圖1和圖2可知：德國原裝的高壓煤漿泵活塞桿斷裂于螺紋部位，國產替代高壓煤漿泵活塞桿斷裂于光滑軸桿段；2根活塞桿的斷口宏觀上均為脆性斷裂，斷口上的啟裂區、慢速擴展區及過載瞬斷區分區清晰，斷口上可見貝紋線特征形貌，屬于典型的疲勞斷裂。

2 顯微金相分析

金屬的性能取決于其成分和微觀組織，其中微觀組織對金屬性能的影響最為直接。因此，可以通過對高壓煤漿泵活塞桿斷口金屬微觀組織的觀察和分析來判斷活塞桿斷裂的原因(圖3至圖6)。

圖3 德國原裝活塞桿顯微金相分析(500×)

圖4 德國原裝活塞桿顯微金相分析(3 000×)

由圖3和圖4可以看出：德國原裝活塞桿的顯微組織為正常的回火索氏體。由圖4可知：在高倍(3 000倍)下可見滲碳體呈顆粒狀，材料處于調質狀態，是軸類零件(大型運動部件)的必要的熱處理狀態。

圖5 國產活塞桿顯微金相分析(500×)

圖6 國產活塞桿顯微金相分析(3 000×)

由圖5和圖6可以看出：國產活塞桿的顯微組織為正火狀態的鐵素體+珠光體。由圖6可知：在高倍(3 000倍)下可見珠光體內的滲碳體呈完整的片狀，這是正火后沒有進行回火(或回火溫度不夠)處理的顯微組織形貌，這種組織狀態無法保證大型軸類零件的抗疲勞能力。

3 斷口的掃描電鏡分析

在對活塞桿材料顯微金相分析的基礎上，利用掃描電鏡分析技術，進一步對國產活塞桿材料中微觀結構進行分析(圖7和圖8)。

圖7 國產活塞桿斷口掃描電鏡分析(500×)

圖8 國產活塞桿斷口掃描電鏡分析(3 000×)

由圖7可以看出，正火組織為鐵素體+珠光體，2種組成物的塑性變形能力不同，導致其斷裂后斷口出現高低不等的塑性斷裂峰與珠光體的脆性斷裂凹坑平臺，足見其疲勞抗力嚴重不足。由圖8可見到不規則的應力休止線，確定活塞桿發生了疲勞斷裂。

4 結果及討論

(1) 德國原裝的高壓煤漿泵活塞桿的材料處于調質狀態——回火索氏體，具備良好抗疲勞的熱處理條件。國產替代活塞桿的材料處于正火狀態，且沒有進行高溫回火，這種組織狀態不能充分發揮材料的疲勞抗力。

(2) 通過對國產替代活塞桿斷口的掃描電鏡分析，斷口上的啟裂區清晰，慢速擴展區的斷口因材料的熱處理狀態為正火，導致2種不同的組成物(鐵素體和珠光體)在疲勞載荷作用下發生不均勻塑性變形，而呈現高低不同的斷口特征形貌，足見正火狀態的材料疲勞抗力不足。

綜上所述，國產替代活塞桿沒有進行調質處理，是導致活塞桿提前斷裂(或疲勞壽命較短)的根本原因。

建議：在選擇高壓煤漿泵活塞桿備件時應優先考慮采用原廠備件；若選擇國產替代，則應對所選用材料及加工工藝提出明確要求。