裂解柴油加氢装置进料泵断轴原因分析和预防措施

史春波,底 浩,葛玉龙,谭永刚,刘 涛

(中海油东方石化有限责任公司，海南 东方 572600)

泵作为化工生产中一种必不可少的关键设备，其运行的好坏直接关系到整个生产的稳定和经济效益的提高[1]。断轴等设备故障不仅造成设备损坏，甚至导致装置停运等其他经济损失及次生事故，威胁人身和设备安全。

1 裂解柴油加氢装置进料泵的作用

裂解柴油加氢装置进料泵(简称进料泵)是裂解柴油加氢的关键设备，其主要作用是将原料罐的柴油由反应进料泵P1101升压至8.7 MPa后送至反应进料总管与混氢汇合，经反应进料一系列换热器换热后，经过加热炉F-1101加热至308～359 ℃后进入加氢精制反应器R-1101，在此进行硫、氮、氧、烯烃及各种杂质的脱除。

柴油加氢进料泵平稳高效运行，是装置安全、稳定和长周期运行的重要保障。某裂解柴油加氢装置进料泵P1101A/B/C采用3台国产高压泵，一开二备轮换使用。其设计及运行参数见表1，设备材质情况见表2。

表1 P1101A/B/C设计及运行参数

表2 P1101A/B/C材质情况

2 泵P1101B失效情况

2019年11月25日夜间23∶00左右已经累计运行7 890 h的P1101B出现密封泄漏问题， 23∶17后2 min内电机电流由正常13 A上升到最大34.1 A，随后降到9.6 A，最后为0；流量由正常33.8 t/h下降到29.4 t/h，最后降到3.8 t/h。换泵后进行维修，发现盘车功能失效。拆卸检查发现：高速轴在润滑油密封位置附近发生断裂，但未完全断裂(见图1)；同时因泵轴突然断裂，导致转子非同心运转，引发次生问题，诱导轮、叶轮、轴套和轴出现损坏(见图2至图4)。

图1 断轴部分宏观形貌

图2 诱导轮磨损

图3 叶轮局部磨损

图4 轴套、轴磨损

3 失效原因分析

3.1 检验分析

3.1.1 断口的宏观及低倍观察

泵轴断裂处的轴径为φ32 mm，为润滑油密封处；泵轴断裂为一短一长的两个部分，分别标记为A和B，断轴处存在明显的磨损痕迹。由于泵轴A断口相对保护较好，未受到严重的磕碰和发生二次锈蚀，故检验分析侧重于泵轴A断口。

裂纹源在泵轴断口的一侧表面，裂纹由泵轴表面向内扩展。裂纹扩展区的断口平坦，没有明显的塑性变形，断口上有“贝纹状”的疲劳弧线，其大小约占整个断口的2/3；最后断裂区(即瞬断区)较为粗糙，其大小约占整个断口的1/3；仅在泵轴边缘处有小的剪切唇。其形貌见图5至图8。

图5 A断口的宏观形貌

图6 A断口裂纹源区低倍形貌

图7 A断口裂纹扩展区形貌

图8 A断口瞬断区形貌

3.1.2 泵轴的材质分析

在断裂的泵轴上取样，依据相关标准[2]，使用光谱仪等仪器对其材质进行分析，结果表明：泵轴材质为20CrMnTi钢，与出厂资料要求的泵轴材质为42CrMo钢不符(见表3)。

表3 泵轴材质的化学成分 w,%

3.1.3 泵轴的金相分析

在泵轴A断口附近处，横向切取金相样品，经预磨、抛光、腐刻后，在显微镜下观察分析。使用显微硬度计，对泵轴进行硬度测试。

整个泵轴截面的金相组织均匀，为回火马氏体+贝氏体+少量块状铁素体[3]，见图9和图10。经测量泵轴硬度为322.5 HV(相当于34.0HRC)，见表4。

表4 泵轴硬度测试 HV

图9 泵轴A的金相组织

图10 泵轴B的金相组织

3.1.4 泵轴断口电镜及能谱分析

使用扫描电镜(SEM)，对泵轴A断口进行微观形貌观察和能谱分析(EDS)。

1.3 统计学处理 采用SPSS20.0统计软件进行分析。计数资料以率表示，采用χ2检验；计量资料符合正态分布以表示，采用独立样本t检验，不符合正态分布的分组进行非参数检验。以P<0.05为差异有统计学意义。

裂纹起源于泵轴表面处，向内扩展，在裂纹扩展区断口平坦，有明显的裂纹扩展方向。能谱分析表明，泵轴断口没有受到腐蚀性元素的影响，元素构成为Fe，Cr及少量的O(见图11和图12)。在泵轴断口的瞬断区，有大量的的韧窝存在(见图13)。由此可见，泵轴断裂原因是机械疲劳断裂。

图11 断口裂纹源区的SEM和EDS

图12 断口裂纹扩展区的SEM

图13 泵轴断口瞬断区的SEM

3.2 结构设计及运行情况

3.2.1 结构设计存在的缺陷

该泵为单级、单吸、悬臂、齿轮箱增速、油泵强迫润滑和卧式结构的高速离心泵。主要由泵过流部件、机械密封、增速箱、润滑系统和电机等组成。

进料泵运行是由电机带动增速器，增速器再驱动泵轴而完成的。其整体结构见图14。

图14 高速泵结构

高速轴采用单齿轮悬臂轴，靠近电机侧平衡盘两边各安装一套径向止推轴承，增速齿轮两边安装两套滑动轴承，诱导轮、叶轮安装在远离电机侧轴端，悬臂设计。轴的径向支撑点离轴受力点——叶轮及诱导轮安装端较远，因而当该轴受到较大的径向力时，应力集中部位易发生断裂[4-5]。

另一方面，低速轴通过大齿轮与高速轴小齿轮啮合，实现由2 980 r/min到15 800 r/min的增速，驱动叶轮高速旋转，导致高速轴扭转力矩增大。

扭转力与径向力叠加导致高速轴断轴风险加大。

运行初期两台泵频繁出现叶轮及诱导轮磨损、泵轴变形的问题，频繁更换泵轴、叶轮及诱导轮。其主要原因是设计结构缺陷，悬臂、高速及安装叶轮部位轴的强度、刚性不足，原叶轮、诱导轮采用304钢质量相对较大，遇到运行负荷偶尔波动，转子偏心运转与壳体发生摩擦碰撞，且泵轴出现弯曲变形，导致泵轴、叶轮、诱导轮等配件频繁损坏。

3.2.2 运行工况分析

泵的操作介质参数见表5。介质为裂解柴油，操作温度不高，无结焦、结垢倾向。含一定量的腐蚀介质硫，可能因介质腐蚀引发泵轴断裂，但轴断裂部位为非介质接触部位，与介质腐蚀无关。运行期间检测参数正常。

表5 进料泵操作参数

3.3 高速轴制造质量缺陷

一般情况下，泵高速轴断裂部位为应力集中的变径点或螺纹部位，而此次在非应力集中部位断裂，与轴锻造后加工质量存在缺陷(诸如加工过程中出现的表面环向划痕)等因素有关。断轴部位有环向摩擦痕迹，是出现断轴的诱发因素。

3.4 介质径向力的影响

泵在设计工况下运行最好，其中流体介质在蜗壳内的全部截面上沿叶轮出口分布均匀，从泵流出介质的速度均匀不变。当遇到泵开停车或偏离设计工况时，蜗壳内部压力平衡受到破坏，不平衡的压力作用到转子上，导致泵轴承担了径向推力。在交变应力的影响下，径向推力使泵轴产生弯曲变形，轴的弯曲变形挠度若超过叶轮密封圈等部件的设计间隙值，将会与泵壳产生接触，同时受到泵壳产生的反作用力，造成泵轴振动，甚至有断轴等风险[6-7]。

3.5 设备疲劳损伤

高速泵在运转过程中，因受到外部负荷、内部应力以及磨蚀等诸多因素的影响，设备各部件相互配合尺寸、力学性能均有可能发生不同程度的变化。泵构件长期承受交变应力作用，会在远低于材料的抗拉强度甚至低于屈服强度的情况下，发生机械的疲劳损伤，直至出现断裂[8]。

3.6 分析与讨论

前面对于失效泵轴进行了多项分析，确认泵轴的断裂性质为疲劳断裂。

当进料泵高速运行时，泵轴承受着很大的交变载荷。在泵轴上的局部区域，可能由于某种原因产生应力集中，当这些区域承受的应力高于泵轴材料自身的疲劳强度后，就会在泵轴表面萌生出疲劳微裂纹。一旦泵轴表面有疲劳微裂纹产生，在交变载荷的作用下，就会很快地发展成疲劳裂纹，进而不断扩展。当疲劳裂纹扩展至一定的程度后，即泵轴剩余截面不足以承受外部载荷时，就会发生快速破断，即瞬间断裂，这时，整个泵轴完全断裂失效。该泵轴断裂部位在润滑油密封处，表面有着明显的摩擦痕迹，这应该是泵轴和润滑油密封的安装配合存在问题造成的，另一个原因是交变载荷导致径向跳动所致。

由于泵轴断口的最后瞬断区面积较大，大约占整个断口大小的1/3，这表明泵轴承受的载荷较大或者是泵轴的材料较脆。载荷大是泵轴断裂的外部因素，而材质脆则是泵轴断裂的内部因素。暂且抛开泵轴断裂的外部因素，就泵轴断裂的内部因素进行讨论。泵轴材料原始设计为42CrMo钢，但对断裂泵轴的材质化学成分分析，确认泵轴材质为20CrMnTi钢(与20Cr钢相近)。42CrMo钢作为泵轴材料使用，通常为调质态(淬火+高温回火)，其金相组织为回火索氏体，其综合力学性能(强度、韧性和冲击功等)均高于淬火+低温回火态的20CrMnTi钢，也就是说20CrMnTi钢的综合力学性能不如42CrMo钢，尤其是脆性要大于42CrMo钢。对照参数见表6。由表6可见，泵轴材料不符合厂家质量文件要求，是造成泵轴发生断裂的关键因素。

表6 20CrMnTi与42CrMo力学性能

泵设计缺陷(悬臂、高速、扭矩大)及安装叶轮部位轴的强度、刚性不足，是安装初期频繁故障的根源，同时设计缺陷导致断轴部位应力集中径向跳动幅度大的根源。径向跳动导致此处与配合部位出现摩擦，表面出现划痕。

在运转过程中，因受到外部负荷、内部应力作用以及磨蚀等诸多因素的影响，泵各部件相互配合尺寸、力学性能均有可能发生不同程度的变化，运行状况逐渐恶化，工作性能不断下降等因素加速了轴疲劳。

总之，在交变应力的作用下，一旦泵轴表面局部因轻微划伤等产生缺陷，将导致出现疲劳微裂纹，最终发展为疲劳裂纹。随着疲劳裂纹的不断扩展，导致泵轴有效承载面积的不断减小，当达到泵轴剩余承载面积的临界尺寸时，泵轴就会因断裂而失效。而且，许多类型加料泵的泵轴断裂失效均是由疲劳断裂引起的[9-10]。

4 结论及建议

4.1 结 论

(1)泵轴材质为20CrMnTi钢，与厂家出厂资料要求的42CrMo材质不符。

(2)泵轴金相组织为回火马氏体+贝氏体+少量块状铁素体，泵轴硬度为322.5HV。

(3)泵轴断裂性质为疲劳断裂。

(4)设计缺陷(悬臂、高速、扭矩大)及安装叶轮部位轴的强度、刚性不足，是安装初期频繁故障的根源，也是导致泵轴断裂部位的局部应力集中、摆幅较大的主要原因；泵轴材质用错，综合力学性能下降是断轴的重要因素；泵轴承受的交变载荷、表面有划伤是前期微裂纹产生的原因。

4.2 建 议

(1)厂家优化结构设计，降低或消除产生应力集中的因素,对设备配件出厂应进行严格检查。

(2)在对进料泵装配过程中，注意各个部件之间的配合，防止局部产生较大的磨损，以免造成泵轴局部区域的应力集中。

(3)对于泵轴材料的选择和热处理，要符合泵轴的实际工况，保证泵轴材料具有良好的综合力学性能。