潤滑油泵主動軸斷裂分析及預(yù)防措施

王道祥

（中國石化揚子石油化工有限公司，南京 210048）

0 引言

泵是石油化工生產(chǎn)時非常重要的設(shè)備，而泵軸是泵中極其重要的零件[1]，想要減少安全事故風(fēng)險和增加企業(yè)生產(chǎn)效益，必須要求泵軸安全穩(wěn)定運行。泵在服役過程中，泵軸的轉(zhuǎn)速很快，再加上加工、設(shè)計以及周圍環(huán)境等因素的影響，泵軸常發(fā)生斷裂事故，生產(chǎn)線會由于每次事故導(dǎo)致其非計劃停產(chǎn)，造成很大的經(jīng)濟損失[2]，甚至還有安全隱患產(chǎn)生的可能。疲勞斷裂和腐蝕斷裂是泵軸常見的斷裂失效形式。泵軸的選材、受力與工作環(huán)境是影響這些失效形式的主要原因[3-4]。

2018年10月20日凌晨1:00左右，揚子石化某廠壓縮機廠房內(nèi)電機潤滑油泵聯(lián)軸器油壓下降，備用泵自動啟動，后經(jīng)拆卸檢查發(fā)現(xiàn)為電機潤滑油泵（型號GB201102B）主動軸斷裂。該電機潤滑油泵于2014年投入使用至主動軸發(fā)生斷裂，期間并無明顯異常。主動軸的材料為45#鋼，斷裂位置位于距離左側(cè)第二個臺階面0.5 mm處，其斷裂位置示意圖如圖1所示。

圖1 主動軸斷裂位置示意圖

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 宏觀檢測

對斷裂后的泵軸進行宏觀檢測，泵軸斷裂后形貌如圖2（a）、2（b）所示，斷口位置距軸左側(cè)端面0.5 mm。主動軸斷口如圖2（c）、2（d）所示。由于試件發(fā)生斷裂后未及時取出，在一側(cè)斷口處可以觀察到明顯的摩擦磨損痕跡，斷口表面未見油污，斷面呈現(xiàn)金屬光澤。

圖2 斷裂軸及斷口形貌

如圖2（c）所示，根據(jù)主動軸斷口的表面情況，大致可將該斷口分為A、B、C 3個區(qū)域。斷裂面與電機軸軸線相垂直，區(qū)域A凸起于整個斷面，呈傷疤狀；斷口區(qū)域B觀察到一定數(shù)量的疲勞輝紋，但由于斷口表面局部存在摩擦磨損的痕跡，未能由疲勞輝紋推得疲勞源所在位置；斷面外圈區(qū)域C可見由斷裂造成的臺階，整個外圈區(qū)域略微低于整個斷面。由圖2（c）可以觀察到，軸的斷裂面附近并未發(fā)生明顯的塑性變形，可以推斷，該軸斷裂過程十分迅速，前期沒有明顯征兆。

1.2 斷口微觀檢測

對失效后的泵軸斷口進行超聲波清洗后，使用SEM掃描電鏡對其進行微觀分析并觀察斷裂過程。區(qū)域A、B、C的掃描結(jié)果如圖3～5所示。

由圖2可知，軸斷裂的第一階段發(fā)生在軸邊緣處A區(qū)，并沿徑向和周向擴展，誘發(fā)了裂紋的萌生，形成裂紋源。圖3（a）為圖2中A區(qū)域整體放大圖，在該區(qū)域發(fā)現(xiàn)了明顯的摩擦磨損痕跡，斷口表面有一定量的摩擦劃痕，如圖3（a）箭頭所指，且斷口表面凹凸不平，并伴隨著一定量的孔洞存在，如圖3（a）、3（b）所示。圖3（b）為孔洞區(qū)域局部放大圖，可以清晰地觀察到該區(qū)域存在許多不規(guī)則的孔洞。圖3（c）為A區(qū)域“傷疤”左側(cè)放大圖，圓圈處可以觀察到此處存在諸多細(xì)小的孔洞，將圓圈內(nèi)的細(xì)長孔洞放大后得到圖3（d），可以觀察到孔洞內(nèi)部存在的臺階花樣。

圖3 A區(qū)域斷口形貌

第二階段為泵軸裂紋的擴展階段，如圖4所示。泵軸斷裂B區(qū)域較為平整，在裂紋擴展區(qū)域發(fā)現(xiàn)了較為明顯的疲勞輝紋，如圖4（a）所示。將該區(qū)域進一步放大，疲勞輝紋的痕跡更為明顯，如圖4（b）所示，表明該樣品發(fā)生了一定程度的疲勞損傷并促使了裂紋的擴展。

圖4 B區(qū)域斷口形貌

第三階段為泵軸的斷裂階段，即斷裂位置C區(qū)，如圖5所示。由圖5（a）可以觀察到該區(qū)域存在明顯的臺階狀形貌。斷裂試樣在最終斷裂區(qū)疲勞輝紋數(shù)量進一步增加，并在斷裂臺階前產(chǎn)生了諸多的細(xì)小裂紋，如圖5（b）所示。

圖5 C區(qū)域斷口形貌

1.3 材質(zhì)金相檢測

從垂直于泵軸的軸向方向，切下一段長為5 mm的部分，以此獲得化學(xué)成分測試試樣。利用FOUNDRY-MASTER PRO全譜直讀光譜儀，對斷裂的泵軸進行成分檢測，測試3組試樣并計算其平均值，測試結(jié)果如表1所示，其成分滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》規(guī)定的含量范圍。

表1 泵軸化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

泵軸的材質(zhì)為采取了調(diào)質(zhì)處理的45#鋼，其金相組織為回火索氏體+少量的δ鐵素體組織，如圖6所示。其中，δ鐵素體如圖6（b）箭頭所示。

圖6 泵軸金相組織

將拋光后、未腐蝕的金相試樣放入顯微鏡中觀察組織中的夾雜物情況，如圖7所示。泵軸材料中存在一定數(shù)量的夾雜物。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)及評級》判定，鋼中含有如圖7（b）所示的氧化鋁，以及如圖7（c）所示的硫化錳等夾雜物。其中氧化鋁夾雜物呈顆粒狀，硫化錳夾雜物呈細(xì)長條狀，且長度方向上長達(dá)81μm。

圖7 泵軸夾雜物形貌

圖8為泵軸斷口夾雜物形貌及成分。采用掃描電子顯微鏡并輔以能譜檢測，結(jié)果表明，斷口內(nèi)部韌窩底部存在一定數(shù)量的夾雜物。如圖8（a）所示，A-1處夾雜物呈細(xì)長條亮紋狀，能譜檢測結(jié)果為MnS硫化物夾雜，如圖8（b）所示。A-2處夾雜物呈圓顆粒狀，能譜檢測結(jié)果為MgO、Al2O3和SiO2等氧化物夾雜，如圖8（c）所示。上述實驗結(jié)果與金相下觀察到的形貌特征相吻合。通常而言，硫化物夾雜形貌呈細(xì)長條狀，而氧化物夾雜形貌呈圓顆粒狀。

圖8 泵軸斷口夾雜物形貌及成分

1.4 力學(xué)性能檢測

從斷裂的泵軸中切取硬度試塊和拉伸試樣，對其進行力學(xué)性能測試。從表2可以看出，泵軸的平均硬度值為325.6 HB，45#鋼在作為傳動軸時要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，而45#鋼調(diào)質(zhì)硬度在228～285 HB之間，因此該樣品的平均硬度明顯高于標(biāo)準(zhǔn)GB/T699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》所規(guī)定的硬度。通常而言，調(diào)質(zhì)過程中，高溫回火溫度偏低、回火時間不足會導(dǎo)致材料硬度偏高、工件調(diào)質(zhì)處理不充分。

表2 泵軸硬度HBW性能數(shù)據(jù)

根據(jù)拉伸試樣標(biāo)準(zhǔn)GB/T228-2010中規(guī)定，從斷裂的泵軸部位取3個拉伸試樣，采用INSTRON 5582試驗機進行拉伸試驗，屈服前的加載速率為0.3 mm/min，屈服后的加載速率為2.3 mm/min。實驗結(jié)果表明，泵軸部位屈服強度約560.3 MPa；抗拉強度約870 MPa；斷后伸長率16.3%；斷面收縮率55.7%，如表（3）所示；斷裂泵軸部位的拉伸性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。該標(biāo)準(zhǔn)范圍取自GB/T699-2015經(jīng)過熱處理（淬火+回火）后45#鋼的力學(xué)性能表。但是該標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定泵軸的拉伸性能的上限值。從實驗數(shù)據(jù)中可知，該泵軸的屈服強度和抗拉強度均明顯高于標(biāo)準(zhǔn)，其結(jié)果類似于硬度測試結(jié)果。因此，盡管泵軸的拉伸性能滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的調(diào)質(zhì)要求，但強度略高。

表3 泵軸拉伸性能數(shù)據(jù)

2 分析與討論

泵軸在正常工作時只受到由扭矩產(chǎn)生的周向剪切力，當(dāng)這個周向剪切力超過軸的極限承載力時，材料將發(fā)生剪切破壞[5]。然而，在實際服役過程中，由于在動力裝置與泵的裝配過程中不可避免地會存在一定的配合公差，所以當(dāng)主動軸在正常工作時會受到由扭矩產(chǎn)生的周向剪切力，以及由配合公差所引起的彎曲載荷，這種受力情況可以簡化為如圖9所示的模型。其中A和B分別為固定主動軸的軸承；C端對應(yīng)為主動軸外伸段，C的位置為動力裝置與泵的連接位置；F為配合公差所引起的垂直于軸向的力，在扭矩與彎矩共同作用下，當(dāng)這兩種力的合力大于軸的極限承載力時，材料發(fā)生破壞。

軸的斷裂位置與理論模型中剪力和彎矩的最大位置相吻合，即斷裂位置位于距離第二臺階面0.5 mm處。因此，主動軸發(fā)生斷裂失效的原因是：由于泵軸存在強度偏高、內(nèi)部組織存在夾雜物等問題，并且由于配合公差所引起彎曲載荷的原因，軸受到扭矩與彎矩的共同作用，在扭矩與彎矩最大位置處的夾雜物產(chǎn)生應(yīng)力集中[6]，形成裂紋源。在這兩個力的共同作用下不斷地沿徑向擴展，泵軸的有效承載面積不斷減小，當(dāng)軸的有效承載面積減小到不足以承受機構(gòu)載荷時，將導(dǎo)致泵軸發(fā)生疲勞斷裂失效。綜上所述，該泵軸斷裂的原因由彎矩、扭矩和夾雜物缺陷共同作用所引起的疲勞斷裂。

圖9 泵軸受力分析圖

3 改進措施

本文對潤滑油泵主動軸斷裂的原因進行了分析，不僅可以給各大潤滑油泵生產(chǎn)廠家對泵軸的選材和熱處理工藝的完善提供試驗數(shù)據(jù)上的支持，還對各化工廠就潤滑油泵的正確使用和定期檢測提出了一定的建議。

（1）在硬度測試中檢測出泵軸的硬度較大，導(dǎo)致材料的韌性和塑性較差，這可能是45#鋼在高溫回火溫度不足，因此在熱處理過程中需要嚴(yán)格控制溫度，定期對熱處理爐進行校溫。

（2）金相組織分析中存在一定數(shù)量的夾雜物，這對材料的性能也有很大的影響，所以在生產(chǎn)過程中也要盡量保證材料的純度，防止外界有害元素滲入到材料中去。

（3）對于設(shè)備使用廠家來說，應(yīng)使用黏度較高的潤滑油來減輕主動軸的磨損，定期檢查軸的磨損情況，定期更換潤滑油，防止?jié)櫥椭械碾s質(zhì)對軸造成磨損。

4 結(jié)束語

（1）泵軸材料中檢測出一定數(shù)量的夾雜物，主要為富硫的MnS和富氧的Al2O3夾雜，其在泵軸失效過程中會造成一定影響。

（2）泵軸硬度為325.6 HB，高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的硬度最大值，軸硬度值偏高。屈服強度約560 MPa，抗拉強度約870 MPa，明顯高于標(biāo)準(zhǔn)要求的最低值。上述過程會造成泵軸的韌性不足，導(dǎo)致泵軸過早失效。

（3）主動軸在發(fā)生斷裂前，其內(nèi)部已經(jīng)存在諸多的夾雜物，整根軸在外部載荷的作用下會在夾雜物處優(yōu)先形成應(yīng)力集中，以至于在夾雜物處會萌生出許多微小的裂紋，同時這些微小裂紋會在交變載荷的作用下不斷地被擴展，最終造成整根軸的斷裂失效。