加氫裝置高壓注水泵軸斷裂失效分析

張鑫（中國石化揚子石油化工有限公司水廠，江蘇南京210000）

0 引言

煉油廠某加氫裝置高壓注水泵在投入使用3 年后，在DCS和現場巡檢數據均未出現異常的情況下，電機電流迅速增大，超過設定值導致電機聯鎖停機，之后對該泵進行解體檢修時發現泵軸斷裂。此泵軸的實際使用壽命遠低于其設計使用壽命，所以有必要對泵軸進行全面的檢測分析以找出斷軸原因，從而采取應對措施，這對提高轉動設備運行穩定性以及維持整套加氫裝置的平穩生產有著重要意義。

1 設備及其故障情況

該高壓注水泵型號為DCSG 80-120×12A，泵型為BB5，泵額定流量為65.5 m3/h，揚程為1673m，進出口壓力為0.2/16.2MPa，泵電機功率為539.1kW，轉速為2980r/min，泵軸材質為42CrMo，泵輸送介質主要為外供除氧水，部分為分餾塔頂回流罐切水，泵入口管線處有加注緩蝕劑（主要成分為多硫化鈉），介質溫度約74℃。

泵軸斷裂在泵末級葉輪后平衡盤鼓卡環槽靠非驅動端機械密封一側退刀槽處。該泵采用平衡盤鼓聯合結構來平衡軸向力，其結構與泵軸斷裂位置如圖1所示。平衡盤鼓卡環套通過內六角螺釘緊固在平衡盤上，將調整墊和平衡盤鼓卡環槽內卡環壓緊。

圖1 泵軸斷裂位置

2 應力分析

平衡盤鼓一側為末級葉輪的后泵腔，為該泵最高壓力處。平衡盤鼓另一側為平衡室，通過平衡管將平衡室與吸入口連通。作用在平衡盤鼓上的壓差，形成指向背向吸入口的平衡力，用來平衡作用在轉子上的軸向力。該泵有12級葉輪，出入口壓力差和轉子受到的軸向力較大，所以平衡盤鼓兩側壓差與其受到的平衡力也較大。因此可以得出，泵軸斷裂位置在泵工作時一直承受著較大的拉伸應力。而泵軸在退刀槽處截面尺寸發生突變，在泵運轉時會產生應力集中。

3 斷口分析

對斷裂失效的泵軸進行宏觀和微觀觀察后發現：最初斷裂區中存在明顯的放射狀弧線，泵軸從此處起裂，在交變載荷的作用下，裂紋沿著徑向方向擴展，最后完全斷裂。最終斷裂區發生了明顯的塑性變形，微觀組織存在韌性斷裂的特征，判斷泵軸是在交變拉伸應力作用下發生的疲勞斷裂。

4 金相組織分析

泵軸采用的是42CrMo 鋼，其綜合力學性能和工藝性能較好，可用于制造截面大與強度高的軸類零件。通常按使用要求，軸類零件采用調質處理，調質處理后得到回火索氏體組織[1,2]。在泵軸斷裂處進行取樣分析，典型組織如圖2 所示，可以看出，泵軸斷裂處主要組織為灰色顆粒狀的回火索氏體和未溶解的鐵素體，且存在偏析，組織分布不均勻。調質處理是指淬火加高溫回火的熱處理方法，其中回火索氏體是淬火馬氏體在高溫回火階段形成的。在調質工藝的淬火過程中，由于淬火溫度偏低或加熱保溫時間不夠，基體組織未充分奧氏體化，出現未溶解的鐵素體；同時，由于淬火過程中成分沒有完全均勻化，調質后仍存偏析現象。因此，可以判斷該泵軸的熱處理工藝存在問題。

圖2 泵軸金相組織圖

5 腐蝕產物分析

在斷裂泵軸端面取一份垢樣，對垢樣進行烘干和研磨，進行能譜分析，分析結果顯示垢樣的成分元素主要有Fe(67.48%)、S(15.63%)、O(9.89%)。加氫裝置分餾塔頂氣含有大量硫化氫，是硫元素主要來源，推測腐蝕產物主要為硫化物與氧化物，說明分餾塔頂回流罐切出的含硫污水形成的濕硫化氫環境會對泵軸造成腐蝕，而泵軸在硫化氫和拉伸應力共同作用下發生應力腐蝕，是泵軸失效的主要原因。

6 泵軸斷裂原因綜合分析

泵軸斷裂在平衡盤鼓卡環槽靠軸端密封一側退刀槽處，由于轉子所受軸向力和平衡盤鼓兩側壓差形成的平衡力的影響，該位置在泵工作時承一直承受著較大的拉伸應力，泵軸的階梯過渡處又存在應力集中。而長時間的拉伸載荷可能使退刀槽產生塑性變形，導致退刀槽有效面積減少，根部圓角半徑R 減小，進一步加重了應力集中現象。結合斷口分析和腐蝕垢樣分析，在靠近泵軸表層部位，發現存在硫化氫應力腐蝕跡象，應力腐蝕是金屬材料在腐蝕性介質和拉伸應力的共同作用下發生的一種破壞形式。金屬發生應力腐蝕時，腐蝕和應力這兩個因素相互促進，一方面腐蝕使金屬的有效截面積減小和表面上形成缺口，產生應力集中；另一方面，應力加速了腐蝕的進展，使表面缺口向更深處擴展，最終導致斷裂。在應力腐蝕中，如果應力是交變的拉伸應力，這種腐蝕叫做疲勞腐蝕[3]。綜上，泵軸的失效部位長期承受較大的拉伸應力且存在應力集中，其表面缺陷在硫化氫和拉伸應力共同作用下發生應力腐蝕形成裂紋源，腐蝕與交變應力的作用使裂紋擴展并最終發生疲勞斷裂。且由于熱處理工藝或方法不當，降低了泵軸的綜合力學性能，更加有利于疲勞裂紋的擴展。

7 改進措施

針對泵軸斷裂原因分析得出的結論，改進措施如下：

(1)將分餾塔頂回流罐含硫污水并入注水系統是裝置設計后期為了降低能耗而修改的，在該泵設計選型時未考慮到這點，導致設計上對泵軸抗腐蝕能力要求偏低，可以考慮將泵軸材質進行升級，選用耐酸腐蝕性能較好的材質如17-4PH。或考慮修改工藝流程，將分餾塔頂回流罐含硫污水并入酸性水系統。

(2)泵入口加注的緩蝕劑主要成分為多硫化鈉，同樣有可能對泵軸產生腐蝕作用，可以在注水管線腐蝕速度能夠控制的情況下適當減少緩蝕劑的加注量。

(3)在滿足安裝工藝的條件下可以適當增大斷裂位置退刀槽根部圓角半徑R，降低應力集中系數，同時提高泵軸表面加工質量，并經過無損探傷，避免表面缺陷的存在。

(4)嚴格控制熱處理工藝要求，保證泵軸材料的金相組織符合要求以及良好的綜合力學性能。