高速離心泵斷齒及齒軸腐蝕故障分析

魯世軍，張 玉，侯亞偉，仝國棟，于彥博

（1.河南龍宇煤化工有限公司，河南商丘 476600；2.廣州機械科學(xué)研究院有限公司 工業(yè)摩擦潤滑技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，廣東廣州 510700）

0 引言

高速離心泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、低流量、高揚程等特點，廣泛應(yīng)用在化工生產(chǎn)中[1-2]。某煤化工企業(yè)的甲醇裝置、乙二醇裝置和醋酸裝置應(yīng)用多臺高速離心泵，設(shè)備運行過程中發(fā)生一起斷齒和多起傳動部件腐蝕故障[3]，嚴(yán)重影響裝置穩(wěn)定生產(chǎn)。探究高速泵故障發(fā)生原因并提出改善措施，避免故障再次發(fā)生。

1 高速泵基本結(jié)構(gòu)

高速泵主要由電機、聯(lián)軸器、增速齒輪箱、泵體和潤滑油系統(tǒng)等組成，電機帶動一級或二級增速齒輪箱將動力傳導(dǎo)至泵體。泵體工作原理與常規(guī)離心泵相同，高轉(zhuǎn)速葉輪使泵輸介質(zhì)具有較高的線速度，從而提高泵的揚程。

2 斷齒

立式二級增速高速泵發(fā)生嚴(yán)重振動和聲音異常，停機檢修發(fā)現(xiàn)一級增速從動輪的多個齒輪斷裂[4-5]，并發(fā)現(xiàn)金屬碎屑和顆粒，斷齒齒輪如圖1 所示。

圖1 故障齒輪

2.1 檢測與分析

為找出斷齒原因，對斷齒處部位進行取樣檢測和觀察分析，檢測項目及意義見表1。

表1 各樣品檢測項目及意義

2.1.1 斷口宏觀與微觀分析

（1）宏觀分析。斷裂齒圈斷口的宏觀形貌如圖2 所示，其中圖2a）為齒軸斷口的整體形貌，圖2b）為齒軸斷口的局部放大。由圖2a）可見，齒輪存在多個斷齒，而且斷裂部位靠近齒輪的一側(cè)，表明齒軸可能存在受力不均的情況。齒輪斷口存在不同程度的氧化，而且氧化區(qū)相對比較光滑，表明齒輪可能存在疲勞開裂的情況。根據(jù)斷口宏觀形貌，可以判斷開裂源為齒面分度圓附近，并向輪齒另一面的根部方向擴展。

（2）微觀分析。選擇圖2b）中方塊區(qū)域作為進行斷口微觀形貌分析，齒輪斷口的微觀形貌如圖3 所示，再選擇其中4個區(qū)域進行觀察：靠近開裂區(qū)A、裂紋擴展區(qū)B 和C、終斷區(qū)D。斷口4 個區(qū)域局部放大如圖4 所示。

圖2 斷口處形貌

圖3 微觀觀察區(qū)顯微放大

圖4 斷口4 個區(qū)域局部放大

根據(jù)斷口的微觀形貌，未見A 區(qū)周圍存在異常的加工缺陷或材料冶金質(zhì)量缺陷；氧化比較明顯的B 區(qū)存在明顯的疲勞輝紋，表明該斷口屬于疲勞開裂產(chǎn)生的斷口；D 區(qū)主要為組織解理斷口和冰糖狀斷口，與齒軸表面經(jīng)過強化處理有關(guān)。

由此可見齒輪是在多次累積損傷情況下產(chǎn)生的疲勞斷裂，而不是在過載情況下產(chǎn)生的一次性斷裂。

2.1.2 材料化學(xué)成分分析

采用德國WAS 公司的FOUNDRY-MASTER 臺式真空火花發(fā)射光譜儀對送檢齒軸材料進行化學(xué)成分分析。送檢齒軸材料化學(xué)成分檢測結(jié)果見表2，表2 中同時列出20CrMnTi 鋼國家標(biāo)準(zhǔn)成分做對比。檢測結(jié)果表明，送檢齒軸材料的化學(xué)成分含量符合20CrMnTi 鋼的國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 材料化學(xué)成分檢測結(jié)果

2.1.3 金相組織分析

參照GB/T 13298—1991《金屬顯微組織檢驗方法》，對齒軸斷裂部位分別制取軸向和徑向金相分析試樣，并進行冶金質(zhì)量分析和金相組織分析。參照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物顯微評定方法》，對材料的非金屬夾雜物等級進行評定。

（1）冶金質(zhì)量評定。軸向試樣金相磨面未經(jīng)浸蝕放大500 倍的微觀形貌如圖5 所示，非金屬夾雜物等級評定結(jié)果見表3。

圖5 軸向試樣金相磨面未經(jīng)浸蝕的微觀形貌

表3 非金屬夾雜物評級

說明：在表3 評級標(biāo)準(zhǔn)中，A 類為硫化物類，B 類為氧化鋁類，C 類為硅酸鹽類，D類為球狀氧化物類，DS 類為單顆粒球狀類；最不良級別均為3 級，其中又以粗系為最。

齒軸材料非金屬夾雜物主要為“條狀”的硫化物類和“點粒狀”的氧化物類非金屬夾雜物，材料中的非金屬夾雜物不良程度適可，未發(fā)現(xiàn)材料中存在異常的冶金質(zhì)量缺陷。

（2）金相組織分析。金相觀察磨面浸蝕方法為4%硝酸乙醇溶液。齒部徑向試樣金相磨面經(jīng)浸蝕后的顯微組織如圖6 所示，其中圖6a）為靠近齒面（開裂源）的顯微組織，圖6b）為靠近齒根表面的顯微組織，圖6c）為心部區(qū)域的顯微組織。

圖6 齒部徑向顯微組織形貌

齒部軸向試樣金相磨面經(jīng)浸蝕后的顯微組織如圖7 所示，其中圖7a）為心部區(qū)域的顯微組織，圖7b）為圖7a）的局部放大。

圖7 齒部軸向顯微組織形貌

（3）材料顯微組織評述。齒軸齒部表面存在滲碳層，滲碳層的金相組織主要為高碳回火馬氏體+二次碳化物+少量殘余奧氏體；齒軸表面存在非馬氏體組織，齒根部的非馬氏體組織深度約為24 μm，但靠近分度圓的齒面處（開裂源區(qū)）的非馬氏體組織不明顯，與該部位在滲碳處理后經(jīng)過磨削加工有關(guān)，也表明齒軸的斷裂與其表面非馬氏體組織無關(guān)；心部金相組織主要為低碳回火馬氏體+少量殘余奧氏體+貝氏體。材料組織均勻細小，未發(fā)現(xiàn)存在異常組織缺陷。

根據(jù)GBT 25744—2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》，評級材料滲碳層中的回火馬氏體組織等級為4 級，殘余奧氏體組織等級為3 級，碳化物組織等級為1 級，心部組織等級為2級，以上評級結(jié)果屬于正常范圍內(nèi)。

2.2 結(jié)論與分析

故障齒軸材料符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，冶金質(zhì)量和熱處理質(zhì)量良好。齒軸齒部斷裂源為靠近分度圓處的齒表面，斷裂部位位于齒輪一側(cè)，屬于多次累積損傷引起的疲勞斷裂，而非過載引起的一次性斷裂。由于斷裂部位主要分布于齒輪的一側(cè)，因此該齒軸存在受力不均的情況，導(dǎo)致局部區(qū)域受力較大，而引起早期疲勞失效。齒軸受力不均可能是由于裝配不當(dāng)引起的。

3 齒軸腐蝕

醋酸裝置某立式高速離心泵出現(xiàn)振動異常，超過界限值后進行停機并拆機檢修，發(fā)現(xiàn)與葉輪連接的高速齒軸出現(xiàn)多處腐蝕[6]，腐蝕的齒軸如圖8 所示。

圖8 送檢齒軸

3.1 檢測與分析

為找出齒軸腐蝕原因，對腐蝕處部位進行取樣檢測和觀察分析，檢測項目及意義見表4。

表4 各樣品檢測項目及意義

3.1.1 材料化學(xué)成分分析

采用用德國WAS 公司的FOUNDRY-MASTER 臺式真空火花發(fā)射光譜儀對送檢齒軸材料進行化學(xué)成分分析。送檢齒軸材料化學(xué)成分檢測結(jié)果見表5，表中同時列出20CrNiMo 鋼國家標(biāo)準(zhǔn)成分做對比。檢測結(jié)果表明，送檢齒軸材料的化學(xué)成分含量符合20CrNiMo 鋼的國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 材料化學(xué)成分檢測結(jié)果

3.1.2 金相組織分析

參照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》，對圖8所示的取樣檢測部位分別制取軸向和徑向金相分析試樣，并進行冶金質(zhì)量分析和金相組織分析。參照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物顯微評定方法》，對材料的非金屬夾雜物等級進行評定。參照GB/T 25744—2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》，對齒軸材料的金相組織等級進行評定。圖9 為齒軸表面腐蝕坑的500 倍局部放大圖。

圖9 軸向試樣金相磨面未經(jīng)浸的微觀形貌

非金屬夾雜物等級評定結(jié)果見表6。

表6 非金屬夾雜物評級

說明：在表6 評級標(biāo)準(zhǔn)中，A 類為硫化物類，B 類為氧化鋁類，C 類為硅酸鹽類，D 類為球狀氧化物類，DS 類為單顆粒球狀類；最不良級別均為3 級，其中又以粗系為最。

齒軸材料非金屬夾雜物主要為“點粒狀”的氧化物類和“條狀”硫化物類非金屬夾雜物，材料中的非金屬夾雜物不良程度適可，未發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部和腐蝕坑周圍中存在異常的冶金質(zhì)量缺陷。

另外，材料顯微組織分析表明未發(fā)現(xiàn)齒軸材料存在異常組織缺陷，未發(fā)現(xiàn)齒軸表面存在鍍層，腐蝕坑周圍組織也沒發(fā)現(xiàn)存在異常。

3.1.3 缺陷微觀形貌分析及能譜分析

對圖8 所示的取樣部位切取能譜分析試樣，并采用丙酮對其進行多次的超聲清洗，然后對其進行微觀形貌觀察和能譜分析。腐蝕缺陷的微觀形貌如圖10 所示，其中圖10a）為齒軸表面腐蝕缺陷的低倍形貌，圖10b）為圖10a）①區(qū)的局部放大。

圖10 腐蝕缺陷的微觀形貌

3 個區(qū)域的元素百分比見表7。

表7 3 個區(qū)域的元素百分比

備注：能譜分析屬于元素定性半定量分析，特別對于原子序數(shù)較低的輕元素（如C、O、S、P 等）的分析準(zhǔn)確度較低，但對于重金屬元素分析準(zhǔn)確度相對較高。

齒軸表面分布有大量的腐蝕產(chǎn)物，而腐蝕產(chǎn)物中含有S和Cl 等元素，表明齒軸周圍存在腐蝕性介質(zhì)引起齒軸表面的腐蝕。

3.2 結(jié)論與分析

根據(jù)以上分析，由于含S、Cl 元素的物質(zhì)腐蝕齒軸金屬表面，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子偏心，引發(fā)高速泵振動異常。

齒軸表面直接接觸的是潤滑油系統(tǒng)，該泵使用潤滑油牌號為Mobil SHC 626，屬合成型齒輪和軸承潤滑油，黏度等級為ISO VG68。潤滑油添加含有S、Cl元素的添加劑可以提高油品的抗極壓性能。某第三方油品檢測機構(gòu)提供的資料顯示Mobil SHC 626 的S 含量為20～60 mg/kg，因此腐蝕點的S 元素可能來自潤滑油中的添加劑。

金屬部件的腐蝕通常有水的參與，水可以加速腐蝕反應(yīng)發(fā)生。該泵輸送介質(zhì)為乙酸和水，介質(zhì)不含S 元素，但通常認(rèn)為水中含有Cl 元素。水可能通過機械密封竄入到潤滑油系統(tǒng)中，也可能通過冷卻水系統(tǒng)和潤滑呼吸口進入潤滑油系統(tǒng)中，參與腐蝕反應(yīng)。

4 改善措施

改善措施：①檢查高速泵冷卻水系統(tǒng)、機械密封避免水分進入潤滑油系統(tǒng)中；②在呼吸口處增加硅膠呼吸器，減少外界水分進入；③加強油品水分檢測，水分超標(biāo)時及時換油；④變更潤滑油牌號，使用不含S 元素的油品；⑤改善裝配操作流程，提高裝配精度，避免出現(xiàn)齒軸受力不均的情況。

5 結(jié)語

主要探究了高速泵斷齒和齒軸腐蝕發(fā)生的原因，后期可以通過提高裝配質(zhì)量、改善機械密封、加裝潤滑系統(tǒng)呼氣器、加強油品檢測分析工作等措施來避免同類故障發(fā)生，達到改善設(shè)備運行可靠性、降低了檢修費用的目的，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟效益。