第29卷第8期甘肅科技Vol 29 No 82013年4月Gansu Science and Technolo循環(huán)水泵軸斷裂原因分析魏立翠1,郝文旭(1.二十一冶金屬結(jié)構(gòu)分公司,甘肅蘭州730060;2.蘭州石化公司石油化工廠,甘肅蘭州730060)摘要:通過分析循環(huán)水泵軸斷口的宏觀特征,校核了在單純剪切交變應(yīng)力作用下泵軸并不會發(fā)生疲勞斷裂,從而揭示了腐蝕環(huán)境對疲勞裂紋的重大影響,并提出了預(yù)防措施。關(guān)鍵詞:宏觀特征;交變應(yīng)力;疲勞斷裂;腐蝕環(huán)境;措施中圖分類號:TE964.071概述蘭州石化公司石油化工廠306A循環(huán)水裝置內(nèi)有5臺型號為500S-59的單級雙吸水平中開式循環(huán)水泵,其具體參數(shù)見表1。表1循環(huán)水泵具體參數(shù)轉(zhuǎn)速流量揚(yáng)程軸功率軸封(r/min)(m/h)(m)(kW形式970填料密封圖1斷裂泵軸斷口1.斷裂截面光滑區(qū),2.斷裂截面粗糙區(qū)2009年5月該裝置的2“循環(huán)水泵在運(yùn)行過程表235鋼機(jī)械性能中,負(fù)荷端軸承箱與填料壓蓋間泵軸突然發(fā)生斷裂,抗拉強(qiáng)度屈服點(diǎn)斷后伸長率斷面收縮率由于未能及時(shí)停下電動機(jī),斷裂截面發(fā)生相互碰撞牌號(MPa)( MPa)(%)(%)產(chǎn)生的沖擊力,致使軸承箱托架根部產(chǎn)生裂紋,整體2045鑄造的下泵殼報(bào)廢。產(chǎn)生的剪切力。剪切力的大小隨電機(jī)轉(zhuǎn)速呈周期性變化,由此產(chǎn)生的交變應(yīng)力也隨轉(zhuǎn)速呈周期性變化,2斷裂原因分析且最大交變力與最小交變力大小相等,方向相反。2.1斷口宏觀特征分析即應(yīng)力特征斷裂泵軸斷口,如圖1所示,呈現(xiàn)兩個(gè)截面不同r=σminσrmax的區(qū)域,一個(gè)是粗糙區(qū),一個(gè)是光滑區(qū),泵軸沒有明說明泵軸承受的交變應(yīng)力為對稱循環(huán)型,在對顯的塑性變形,離心泵軸斷口宏觀呈現(xiàn)疲勞斷裂形稱循環(huán)交變應(yīng)力下校核泵軸斷裂截面的疲勞強(qiáng)度。態(tài)。光滑區(qū)是泵軸在一定交變載荷作用下,構(gòu)件中已知:泵軸轉(zhuǎn)速n=970r/min,軸功率N=薄弱處或較薄弱的晶體,沿最大剪應(yīng)力方向形成的391kW,泵軸斷裂截面直徑d=85.0mm,泵軸抗拉強(qiáng)滑移帶滑移帶開裂形成微觀裂紋,隨著循環(huán)次數(shù)的度σb=530MPa,取泵軸安全系數(shù)為[n]=1.7。增加,分散的微觀裂紋經(jīng)過匯聚溝通,形成宏觀裂1)計(jì)算工作應(yīng)力:紋。宏觀裂紋在持續(xù)交變力作用下不斷擴(kuò)展,構(gòu)件m=9.549Nvn=9.549×391×103/970=的截面逐步被削弱,這樣就由裂紋擴(kuò)展形成斷口的3849.1N·m光滑區(qū)。當(dāng)裂紋擴(kuò)展達(dá)到臨界尺寸時(shí),材料會突然rm=m/Wp=3849.1/[m/16×d3]=16發(fā)生脆性斷裂,從而形成斷口的粗糙區(qū)。3849.1/[3.14×85×85×85×10-”]=319MPa2.2疲勞強(qiáng)度校核2)確定T及各影響系數(shù):離心泵軸材質(zhì)為35鋼,其機(jī)械性能見表2。由泵軸中國煤化疲勞極限:忽略離心泵轉(zhuǎn)子組件自身的重力及轉(zhuǎn)子不平衡產(chǎn)生的離心力,離心泵軸主要承受旋轉(zhuǎn)過程中扭轉(zhuǎn)CNMHGMPa斷裂截面幾人艾比,出八于變化引起的應(yīng)第8期魏立翠等循環(huán)水泵軸斷裂原因分析力集中可以忽略,即有效應(yīng)力集中系數(shù):的水膜。工業(yè)大氣中含有及較多的CO2、SO2等酸K性氣體溶解倒水膜中,水膜中將存在下列平衡由泵軸直徑及泵軸材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度,查表可得CO2+H20+H,C03+H"+ HCO3影響構(gòu)件疲勞極限的尺寸效應(yīng)系數(shù):So2+H,O-H,SO3+H*+HSOEr=0.71此時(shí)鐵(相對活潑的金屬)作為腐蝕電池的陽由泵軸的表面加工方式及泵軸材質(zhì)的抗拉強(qiáng)極發(fā)生失電子的氧化反應(yīng);氧化皮、碳或其他比鐵不度,查表可得影響構(gòu)件疲勞極限的表面質(zhì)量系數(shù):活潑的雜質(zhì)做陰極H在這里接受電子發(fā)生得電子B=0.91的還原反應(yīng):3)校核斷裂截面疲勞強(qiáng)度陽極(Fe)Fe-2e=Fe2n,=E,Bx:[K,rm]=0.71×0.91×121.9/[1陰極(雜質(zhì))2H+2e=H2↑319]=245>[n]=1.7總反應(yīng)Fe+2H'=Fe2+H2↑因此在單純的交變應(yīng)力作用下,理論上離心泵由上述公式可知在潮濕大氣的工作環(huán)境中,鐵軸不會發(fā)生疲勞斷裂。元素不斷被腐蝕生成鐵離子。腐蝕的結(jié)果導(dǎo)致在泵2.3疲勞斷裂原因分析軸的表面形成點(diǎn)蝕坑,在這些點(diǎn)蝕坑產(chǎn)生應(yīng)力集中由21計(jì)算可知離心泵軸發(fā)生疲勞失效并不是當(dāng)腐蝕損傷達(dá)到某一臨界值時(shí),泵軸上便會形初始單純的交變應(yīng)力作用下的結(jié)果。從斷裂離心泵軸的疲勞裂紋。在交變力及腐蝕環(huán)境的共同作用下初表面,可以看到泵軸表面附著一層“銹皮”,除去這始裂紋不斷擴(kuò)展。當(dāng)裂紋長度達(dá)到其臨界裂紋長度些銹皮后發(fā)現(xiàn)泵軸局部出現(xiàn)點(diǎn)蝕坑。在交變應(yīng)力時(shí),泵軸難以承受外界載荷裂紋發(fā)生快速擴(kuò)展,最及腐蝕環(huán)境的共同作用下泵軸發(fā)生了腐蝕疲勞。終導(dǎo)致泵軸突然斷裂。1)腐蝕疲勞特征:腐蝕疲勞在任何腐蝕環(huán)境中都可以發(fā)生往往交變應(yīng)力低于材料的疲勞極限,它3腐蝕疲勞預(yù)防措施與介質(zhì)的PH值、氧含量溫度及變動負(fù)荷的性質(zhì)交腐蝕疲勞既然是腐蝕環(huán)境與循環(huán)應(yīng)力的共同結(jié)變應(yīng)力的幅度和頻率都有關(guān)系。一般隨著FH值減果那么腐蝕疲勞的控制主要包括以下三個(gè)方面改小含氧量增高、溫度上升腐蝕疲勞的壽命就越低同進(jìn)設(shè)計(jì)、改變材料和釆取防護(hù)措施。針對于循環(huán)水時(shí)大幅度、低頻率的交變應(yīng)力更容易加快腐蝕疲勞。泵的具體情況,改進(jìn)設(shè)計(jì)或改變材料都是不太現(xiàn)實(shí)2)腐蝕環(huán)境的形成及腐蝕機(jī)理的,因此要預(yù)防離心泵軸發(fā)生腐蝕疲勞防止泵軸突由斷裂泵軸與軸承箱托架的結(jié)構(gòu)如圖2所示,然斷裂應(yīng)該從控制腐蝕環(huán)境的形成及腐蝕缺陷的可以看出斷裂軸的工作環(huán)境是由軸承托架及弧形擋及時(shí)消除著手:水板形成的一個(gè)相對密閉的空間。1)減少離心泵填料密封的泄露,保證泵軸工作空間潔凈干燥減小潮濕空氣的對泵軸的腐蝕作用;2)認(rèn)真執(zhí)行循環(huán)水泵的計(jì)劃檢修,利用檢修期間對泵軸進(jìn)行磁粉探傷檢測,及時(shí)消除泵軸早期形成的腐蝕缺陷,阻止初始疲勞裂紋的生成。4小結(jié)2大多數(shù)化工設(shè)備的工作環(huán)境較為惡劣,使用過程中應(yīng)該盡量為設(shè)備創(chuàng)造良好的工作環(huán)境,加強(qiáng)落圖2斷裂泵軸與軸承箱托架的結(jié)構(gòu)實(shí)計(jì)劃檢修,及時(shí)消除存在的設(shè)備隱患,才能保證設(shè)1.軸承箱托架2.導(dǎo)流孔,3.弧形擋水板,4.軸備正常的使用壽命避免由事故造成的不必要損失。由于離心泵采用填料密封,軸端存在循環(huán)水泄參考文獻(xiàn):露的情況,雖然泄露的循環(huán)水可以通過托架底部開[1]龔志鈺,李章政.材料力學(xué)[M]科學(xué)出版社,2005設(shè)的導(dǎo)流孔排出但是由于軸工作空間相對密閉,致使泵軸的工作環(huán)境潮濕。在潮濕的空氣中,由于泵【3]王榮主[2]陳林根V凵中國煤化工育出版社20CNMHG西北工業(yè)大學(xué)出軸表面的吸附作用,就是泵軸表面覆蓋了一層極薄版社,2010.