LNG接收站高壓泵電機端蓋國產化改進

吳永忠

（廣東大鵬液化天然氣有限公司，廣東深圳 518048）

0 引言

2016年，某LNG接收站EBARA 高壓泵P-1105G 大修時發現出口泵蓋內側存在3/4 圓周裂紋，經過PT 檢測，確認裂紋在內部擴展較深，如圖1 所示。

圖1 電機端蓋裂紋

電機端蓋腔內工作壓力9.0 MPa，為承壓部件，可視為壓力容器。根據ASME 第viii 分篇和《壓力容器監察規程》等標準規范的規定，直接判廢。為保障運營生產，對該泵電機端蓋實施了國產化改進。

1 裂紋成因分析

1.1 金相觀察

使用線切割機在試樣上分別切取SEM 試樣、金相試樣和XRF 試樣，試樣為裂紋位置附近試樣，進行熒光光譜X 射線檢測和金相觀察。

觀察試樣在50×和100×下進行的金相組織發現，金相組織中，淺黃色的大塊組織為基體α 固溶體，聚集的點狀淺色組織為共晶硅，少數小的塊狀淺色組織為初晶硅，如圖2 和圖3 所示。同時，試樣上均有不同程度的黑色孔洞（疏松），且孔洞尺寸較大，肉眼即可觀察到，孔洞形狀也并不規則。裂紋的擴展和孔洞類似，不會穿過基體α 固溶體，多是沿著共晶硅組織擴展，導致裂紋形狀不規則，裂紋粗細也不均勻。

圖2 試樣（有裂紋試樣）的50×金相照片

圖3 試樣不同位置100×金相照片

1.2 試樣SEM 分析

使用超聲波和酒精清洗試樣，采用Zeiss-Supra55 型掃描電鏡觀察試樣（有裂紋試樣），并對試樣進行EDS 能譜分析。

（1）試樣SEM 照片（圖4）。從照片中可以看出，在未出現裂紋和出現裂紋的區域上，都存在大量細小的白色顆粒狀雜質。進一步觀察裂紋區域發現，裂紋粗細不均勻，開裂深度也較淺，裂紋內部還存有較多的圓球狀顆粒。

圖4 試樣1（有裂紋試樣）SEM 照片

（2）試樣EDS 能譜分析。從EDS 能譜分析結果中可以發現，裂紋附近組織的成分也是以Al 為主，為基體α 相。裂紋內部顆粒以及球狀顆粒的成分主要由O、Si、Al 組成。推測這些顆粒主要是Al 或Si的氧化物，各位置未檢測到具有腐蝕性的元素。

1.3 斷口形貌分析

超聲清洗后，觀察斷口形貌可以發現，斷口表面仍然附著有較多細小的白色球狀顆粒，斷口形貌以大小不一的韌窩為主，屬于韌性斷裂，如圖5所示。

圖5 SEM 下斷口形貌觀察

1.4 XRF 成分分析

在試樣上切取一塊沒有裂紋的試樣2-1，使用200#～600#水砂紙研磨試樣內表面。研磨至光亮后進行XRF 成分分析，分析結果見表1。鋁合金A356.0-T6 各元素標準成分見表2。XRF 分析結果表明，該試樣中的Si 含量高于標準規定的化學成分值。

表1 XRF 試樣的測試結果

表2 A356.0-T6 標準成分

1.5 試樣顯微硬度分析

使用維氏硬度計分別對試樣1（有裂紋試樣）和試樣2-2（無裂紋試樣）進行硬度測試。從顯微硬度測試結果可以看出，試樣1的兩組硬度平均值分別為91.3 HV 和93.1 HV，試樣2-2的平均硬度達到118.2 HV。試樣1的兩組硬度明顯低于試樣2-2的硬度。另一方面，在試樣1的裂紋兩側，硬度值也稍有不同，一側硬度值較低，另一側硬度值則稍高一些。

1.6 結果分析及試驗結論

綜合金相實驗、SEM 實驗、XRF 實驗和硬度測試實驗的結果，電機端蓋材料組織內部存在較多孔洞。通過金相以及SEM 觀察，這些孔洞形狀較不規則，多有棱角，孔洞位置都集中在共晶硅以及初晶硅組織上，在基體α 相上幾乎沒有孔洞。電機端蓋的介質是LNG，工作溫度-158.6 ℃。在設備運轉與停機過程中，電機端蓋溫度從-158.6 ℃上升到室溫；停機到運轉過程中，電機端蓋溫度又從室溫降到工作溫度-158.6 ℃，如此大的溫度變化，電機端蓋存在一定熱應力。由于孔洞在組織內部屬于不連續的缺陷，而且其形狀不規則且有棱角，因此很容易成為熱應力集中的位置。當集中的熱應力值大于孔洞周圍的強度值時，便會形成裂紋源。隨著熱應力的不斷作用，裂紋沿著共晶硅組織逐漸延伸，最終形成電機端蓋內側表面的裂紋。

2 電機端蓋國產化改進

2.1 力學性能

電機端蓋鑄件的力學性能不應低于表3 要求。

表3 主要力學性能

2.2 有限元分析及強度計算

對電機端蓋進行有限元分析。通過仿真可知，電機端蓋在打壓載荷作用下產生的最大膜應力σm=54.287 MPa，最大膜加彎曲應力σm+σb=70.679 MPa。電機端蓋材料在工作溫度下的材料許用應力S=59.3 MPa。電機端蓋打壓載荷作用下的結構應力滿足σm＜S，σm+σb＜1.5 S=88.95 MPa，電機端蓋強度滿足打壓載荷作用下的設計要求。由材料特性可知，在低溫工作狀況下材料許用應力更高，加上電機端蓋工作壓力比打壓載荷壓力低，因此電機端蓋在工作條件下能滿足強度要求。

2.3 現場測試

電機端蓋國產化改進后，2018年2 月11 日，在接收站進行現場測試，振動值（1.1 mm/s）等各項性能指標優于原泵。

3 結論

電機端蓋的材料化學成分不滿足標準要求，Si 含量超過標準值，電機端蓋材料內部含有大量不規則孔洞。由于電機端蓋的工作溫度是-158.6 ℃，停機運轉過程中會產生一定熱應力，在孔洞周圍會形成應力集中，多次停開機引起的循環熱應力，使得電機端蓋沿著應力集中的孔洞逐漸開裂。

該泵電機端蓋實施國產化后，2018年2 月至今，運行情況始終良好。2020年1 月，對該高壓泵國產化電機端蓋進行驗證檢測，沒有發現缺陷，證明高壓泵電機端蓋國產化是成功的。