循环水泵轴断裂原因分析

第29卷第8期甘肃科技Vol. 29 No. 82013年4月Gansu Science and TechnologyApr.2013循环水泵轴断裂原因分析魏立翠',郝文旭2(1.二十一冶金属结构分公司,甘肃兰州730060;2.兰州石化公司石油化工厂,甘肃兰州730060)商要:通过分析循环水泵轴断口的宏观特征，校核了在单纯剪切交变应力作用下泵轴并不会发生疲劳断裂,从而揭示了腐蚀环境对疲劳裂纹的重大影响,并提出了预防措施。关键词:宏观特征;交变应力;疲劳断裂;腐蚀环境;措施中图分类号:TE964.071概述兰州石化公司石油化工厂306A 循环水装置内有5台型号为500S-59的单级双吸水平中开式循环水泵,其具体参数见表1。.表1循环水泵具体参数转速流量扬程轴功率油封(r/min) (m'/h)(m)(kW)形式7020205391填料密封图1断裂泵轴断口 .1.断裂截面光滑区,2. 断裂截面粗糙区.2009年5月该装置的2"循环水泵在运行过程，表235"钢机械性能中,负荷端轴承箱与填料压盖间泵轴突然发生断裂，抗拉强度屈服点断后伸长率 断面收缩率由于未能及时停下电动机,断裂截面发生相互碰撞牌号(MPa)(% )产生的冲击力,致使轴承箱托架根部产生裂纹,整体35"530315_20铸造的下泵壳报废。产生的剪切力。剪切力的大小随电机转速呈周期性变化,由此产生的交变应力也随转速呈周期性变化，2断裂原因分析且最大交变力与最小交变力大小相等,方向相反。2.1断口宏观特征分析即应力特征:断裂泵轴断口,如图1所示,呈现两个截面不同r=σmin/σmx= -1的区域,-个是粗糙区,-一个是光滑区，泵轴没有明说明泵轴承受的交变应力为对称循环型,在对显的塑性变形,离心泵轴断口宏观呈现疲劳断裂形称循环交变应力下校核泵轴断裂截面的疲劳强度。态。光滑区是泵轴在- -定交变载荷作用下,构件中已知:泵轴转速n = 970r/min,轴功率Nw =薄弱处或较薄弱的晶体,沿最大剪应力方向形成的391kW ,泵轴断裂截面直径d = 85.0mm,泵轴抗拉强滑移带,滑移带开裂形成微观裂纹,随着循环次数的度ob =530MPa,取泵轴安全系数为[n]=1.7。增加，分散的微观裂纹经过汇聚沟通,形成宏观裂1)计算工作应力:纹。宏观裂纹在持续交变力作用下不断扩展,构件m= 9. 549Nw/n =9.549 x 391 x 103/970 =的截面逐步被削弱，这样就由裂纹扩展形成断口的3849.1N●m光滑区。当裂纹扩展达到临界尺寸时材料会突然τmas=m/Wp=3849.1/[II/16xd]=16x发生脆性断裂,从而形成断口的粗糙区。3849. 1/[3. 14 x85 x85 x85 x10-9] =31. 9MPa，2.2疲劳强 度校核2)确定τ_及各影响系数: .离心泵轴材质为35*钢,其机械性能见表2。由泵轴材质的抗拉强度,确定剪切疲劳极限:忽略离心泵转子组件自身的重力及转子不平衡τ_1≈0. 23σb =0.23 x530= 121. 9 MPa产生的离心力,离心泵轴主要承受旋转过程中扭转断裂截面处无尺寸变化,由尺寸变化引起的应第8期魏立翠等:循环水泵轴断裂原因分析59力集中可以忽略，即有效应力集中系数:的水膜。工业大气中含有及较多的CO2、SO2等酸K,=1性气体溶解倒水膜中,水膜中将存在下列平衡:由泵轴直径及泵轴材质的抗拉强度,查表可得CO2 + H205H2COz≤H* + HCO3”影响构件疲劳极限的尺寸效应系数:SO, + H20sH2SOzSH* + HSO3~ε, =0.71此时铁(相对活泼的金属)作为腐蚀电池的阳由泵轴的表面加工方式及泵轴材质的抗拉强极发生失电子的氧化反应;氧化皮、碳或其他比铁不度,查表可得影响构件疲劳极限的表面质量系数:活泼的杂质做阴极,H*在这里接受电子发生得电子β=0.91的还原反应:3)校核断裂截面疲劳强度阳极(Fe) Fe-2e= Fe2+n, =efβr_:/[K,Tmx] =0.71 x0.91 x121.9/[1阴极(杂质) 2H* +2e=H2↑x31.9]=2.45>[n]=1.7总反应Fe+2H*= Fe2+ +H2↑因此在单纯的交变应力作用下,理论上离心泵由上述公式可知:在潮湿大气的工作环境中,铁轴不会发生疲劳断裂。元素不断被腐蚀生成铁离子。腐蚀的结果导致在泵2.3疲劳断裂原因分析轴的表面形成点蚀坑,在这些点蚀坑产生应力集中，由2.1计算可知离心泵轴发生疲劳失效并不是当腐蚀损伤达到某--临界值时,泵轴上便会形初始单纯的交变应力作用下的结果。从断裂离心泵轴的疲劳裂纹。在交变力及腐蚀环境的共同作用下,初表面，可以看到泵轴表面附着一层“锈皮”, 除去这始裂纹不断扩展。当裂纹长度达到其临界裂纹长度些锈皮后,发现泵轴局部出现点蚀坑。在交变应力时,泵轴难以承受外界载荷,裂纹发生快速扩展,最及腐蚀环境的共同作用下,泵轴发生了腐蚀疲劳。终导致泵轴突然断裂。1)腐蚀疲劳特征:腐蚀疲劳在任何腐蚀环境中都可以发生,往往交变应力低于材料的疲劳极限,它3腐蚀疲劳 预防措施与介质的PH值、氧含量温度及变动负荷的性质、交腐蚀疲劳既然是腐蚀环境与循环应力的共同结变应力的幅度和频率都有关系。-般随着PH值减果,那么腐蚀疲劳的控制主要包括以下三个方面:改小,含氧量增高、温度上升腐蚀疲劳的寿命就越低,同进设计改变材料和采取防护措施。针对于循环水时大幅度、低频率的交变应力更容易加快腐蚀疲劳。泵的具体情况,改进设计或改变材料都是不太现实2)腐蚀环境的形成及腐蚀机理:的,因此要预防离心泵轴发生腐蚀疲劳,防止泵轴突由断裂泵轴与轴承箱托架的结构,如图2所示，然断裂,应该从控制腐蚀环境的形成及腐蚀缺陷的可以看出断裂轴的工作环境是由轴承托架及弧形挡及时消除着手:水板形成的- -个相对密闭的空间。1)减少离心泵填料密封的泄露,保证泵轴工作空间洁净干燥,减小潮湿空气的对泵轴的腐蚀作用;2)认真执行循环水泵的计划检修,利用检修期间对泵轴进行磁粉探伤检测,及时消除泵轴早期形成的腐蚀缺陷,阻止初始疲劳裂纹的生成。44小结2大多数化工设备的工作环境较为恶劣,使用过程中应该尽量为设备创造良好的工作环境,加强落图2断裂泵轴与轴承箱托架的结构实计划检修,及时消除存在的设备隐患,才能保证设1.轴承箱托架,2.导流孔,3. 弧形挡水板,4.轴.备正常的使用寿命,避免由事故造成的不必要损失。由于离心泵采用填料密封,轴端存在循环水泄参考文献:露的情况,虽然泄露的循环水可以通过托架底部开[1] 龚志钰,李章政.材料力学[ M].科学出版社,2005.设的导流孔排出,但是由于轴工作空间相对密闭,致[2] 陈林根.工程化学基础[M].高等教育出版社,2007.使泵轴的工作环境潮湿。在潮湿的空气中,由于泵[3] 王荣主.金属材料的腐蚀疲劳[ M].西北工业大学出轴表面的吸附作用,就是泵轴表面覆盖了一-层极薄版社,2010.