摘 要:針對水環(huán)真空泵軸頻繁發(fā)生斷裂的問題,對泵軸進行了宏觀觀察、金相檢驗、掃描電鏡 及能譜分析。結(jié)果表明:泵軸斷裂的主要原因是在含有氯、氮等元素介質(zhì)的環(huán)境下,泵軸螺紋退刀 槽附近縫隙處存在 Cl - 局部富集,加速了腐蝕;同時在應(yīng)力集中和疲勞交變載荷的聯(lián)合作用下,泵 軸產(chǎn)生裂紋并逐漸擴展直至斷裂。 

關(guān)鍵詞:泵軸;縫隙腐蝕;應(yīng)力集中;疲勞;脆性斷裂

中圖分類號:TG115.2                                        文獻標志碼:B                                文章編號:1001-4012(2022)07-0032-03

水環(huán)真空泵被廣泛應(yīng)用于石油、化工、機械及食 品等眾多領(lǐng)域,其具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡便、環(huán)境適 應(yīng)能力強等特點。在實際生產(chǎn)應(yīng)用中,水環(huán)真空泵 常見的 故 障 有 閥 片 斷 裂、異 常 振 動、真 空 度 下 降 等[1-2]。泵軸作為傳送動力的重要結(jié)構(gòu),要求其具有 良好的力學性能和幾何精度,其斷裂失效會嚴重影 響機組的安全運行[3-4]。 

相關(guān)研究表明,泵軸的斷裂原因通常是:材料存 在金屬組織缺陷,導致其力學性能和韌性下降,在交 變應(yīng)力的作用下,泵軸發(fā)生疲勞開裂[5-6] ;在富含鹵 素的腐蝕環(huán)境中,泵軸易在鍵槽等縫隙處發(fā)生嚴重 腐蝕,在循環(huán)疲勞載荷作用下,在應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生 腐蝕疲勞斷裂[7]。

某廠在3a內(nèi)有6根水環(huán)真空泵軸發(fā)生斷裂, 其工作介質(zhì)中含有氯、氮等元素,真空泵結(jié)構(gòu)及斷裂 部位如圖1所示,轉(zhuǎn)速為970r/min,功率為22kW, 泵軸材料為SUS304鋼,軸徑為70mm。

筆者對該水環(huán)真空泵經(jīng)常發(fā)生泵軸斷裂的原因進行了理化檢驗及分析,并提出合理建議,以避免類 似事故的再次發(fā)生,保證裝置能長期、安全地運行。

1 理化檢驗 

1.1 宏觀觀察

對斷裂泵軸進行宏觀觀察,發(fā)現(xiàn)泵軸斷裂于螺 紋退刀槽處,該處存在一定的應(yīng)力集中;軸斷面平 整,有腐蝕痕跡[見圖2a)]。軸斷面存在兩處裂紋 源,瞬斷區(qū)位于兩處裂紋源對面,軸斷面呈脆斷模 式,與SUS304奧氏體不銹鋼的純機械斷裂模式不 同。斷口附近軸柱面存在嚴重腐蝕,局部螺紋被完 全腐蝕,呈 黃 棕 色,腐 蝕 區(qū) 域 失 去 金 屬 光 澤 [見 圖 2b)]。進一步檢查螺紋鎖緊螺母與葉輪軸孔的腐 蝕形貌,兩者均呈現(xiàn)明顯的縫隙腐蝕特征(見圖3)。

1.2 掃描電鏡分析

對軸斷面進行掃描電鏡(SEM)觀察,裂紋源1 區(qū)及擴展區(qū)SEM 形貌如圖4所示,圖4a)中可見明 顯腐蝕坑,圖4b)為典型疲勞條帶形貌。

1.3 能譜分析 

對疲勞條帶區(qū)進行能譜分析,發(fā)現(xiàn)局部 Cl - 富 集,整個斷面都有 Cl - 分布,局部硫、氧、鈉及鉀元素 富集。能譜分析位置與結(jié)果如圖5所示,元素分析 結(jié)果如表1所示。

1.4 金相檢驗

1.4.1 斷面顯微組織 

在軸斷面上取樣進行金相檢驗,可見斷面顯微 組織為奧氏體,并存在較多 的 點 蝕 坑,依 據(jù) GB/T 4334—2020《金屬和合金的腐蝕 奧氏體及鐵素體奧氏體(雙相)不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》判定該組 織為七類凹坑組織(見圖6)。

1.4.2 軸向顯微組織 

將泵軸沿軸向切開,發(fā)現(xiàn)退刀槽口處存在垂直于軸向的擴展裂紋,裂紋起點、中端及尖端的顯微組 織形貌如圖7所示。 

2 綜合分析 

縫隙腐蝕是指在腐蝕介質(zhì)中金屬表面上、縫隙和其他隱蔽的區(qū)域內(nèi)發(fā)生的局部腐蝕?？籽?、墊片 接觸面、搭接縫內(nèi)、沉積物下、緊固件縫隙內(nèi)是常發(fā) 生縫隙腐蝕的地方。依靠氧化膜或鈍化層抗腐蝕的 金屬在含氧的介質(zhì)中都會發(fā)生縫隙腐蝕,其發(fā)生原 因是:縫隙內(nèi)為缺氧區(qū),由于自催化效應(yīng),縫隙內(nèi)的 溶液會從中性變?yōu)樗嵝?陰離子會在縫隙內(nèi)的溶液 中富集,引 起 縫 隙 內(nèi) 的 金 屬 表 面 狀 態(tài) 與 縫 隙 外 不 同[8-9]。例如,鈍化膜破壞而使金屬表面成為活性溶 解狀態(tài)。對于鈍性金屬來說,縫隙腐蝕過程原理上 同點蝕(小孔腐蝕)過程一樣[10]。 

對于黑色金屬的酸性腐蝕來說,析氫過程會引 起金屬材 料 延 性 的 降 低 而 使 其 脆 性 增 加,即 引 起 “氫脆”。 

綜合上述理化檢驗結(jié)果可知:該水環(huán)真空泵軸 斷裂模式為應(yīng)力、腐蝕、疲勞共同作用下的脆性斷 裂。裂紋源位于退刀槽及附近區(qū)域,退刀槽尖銳,為 形狀突變區(qū)域,易造成應(yīng)力集中,腐蝕介質(zhì)導致的點 蝕加速了裂紋源的產(chǎn)生,同時泵為偏心設(shè)置,軸轉(zhuǎn)動 過程中產(chǎn)生交變應(yīng)力,導致疲勞條帶的出現(xiàn),在扭轉(zhuǎn) 剪切力的共同作用下裂紋快速擴展直至斷裂。

3 結(jié)論與建議 

該水環(huán)真空泵軸在含有腐蝕介質(zhì)的環(huán)境下,其 螺紋退刀槽附近發(fā)生縫隙腐蝕,同時在應(yīng)力集中的 疲勞交變載荷的作用下,產(chǎn)生裂紋并逐漸擴展,最終 導致泵軸斷裂。 

建議適當改進泵軸鎖緊結(jié)構(gòu),如加裝防止介質(zhì) 進入縫隙的端面密封鎖緊結(jié)構(gòu);控制介質(zhì)的 pH 在 7以上,避免酸性腐蝕;加大退刀槽圓弧過渡,進一 步減小應(yīng)力集中;更換泵軸材料,選用耐點蝕及 Cl - 腐蝕的材料;引入在線健康監(jiān)測系統(tǒng),控制泵軸振動 引起的交變應(yīng)力。

參考文獻: 

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<文章來源> 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 7期 (pp:32-34)>