摘 要:针对水环真空泵轴频繁发生断裂的问题,对泵轴进行了宏观观察、金相检验、扫描电镜 及能谱分析。结果表明:泵轴断裂的主要原因是在含有氯、氮等元素介质的环境下,泵轴螺纹退刀 槽附近缝隙处存在 Cl - 局部富集,加速了腐蚀;同时在应力集中和疲劳交变载荷的联合作用下,泵 轴产生裂纹并逐渐扩展直至断裂。 

关键词:泵轴;缝隙腐蚀;应力集中;疲劳;脆性断裂

中图分类号:TG115.2                                        文献标志码:B                                文章编号:1001-4012(2022)07-0032-03

水环真空泵被广泛应用于石油、化工、机械及食 品等众多领域,其具有结构紧凑、操作简便、环境适 应能力强等特点。在实际生产应用中,水环真空泵 常见的 故 障 有 阀 片 断 裂、异 常 振 动、真 空 度 下 降 等[1-2]。泵轴作为传送动力的重要结构,要求其具有 良好的力学性能和几何精度,其断裂失效会严重影 响机组的安全运行[3-4]。 

相关研究表明,泵轴的断裂原因通常是:材料存 在金属组织缺陷,导致其力学性能和韧性下降,在交 变应力的作用下,泵轴发生疲劳开裂[5-6] ;在富含卤 素的腐蚀环境中,泵轴易在键槽等缝隙处发生严重 腐蚀,在循环疲劳载荷作用下,在应力集中区域发生 腐蚀疲劳断裂[7]。

某厂在3a内有6根水环真空泵轴发生断裂, 其工作介质中含有氯、氮等元素,真空泵结构及断裂 部位如图1所示,转速为970r/min,功率为22kW, 泵轴材料为SUS304钢,轴径为70mm。

笔者对该水环真空泵经常发生泵轴断裂的原因进行了理化检验及分析,并提出合理建议,以避免类 似事故的再次发生,保证装置能长期、安全地运行。

1 理化检验 

1.1 宏观观察

对断裂泵轴进行宏观观察,发现泵轴断裂于螺 纹退刀槽处,该处存在一定的应力集中;轴断面平 整,有腐蚀痕迹[见图2a)]。轴断面存在两处裂纹 源,瞬断区位于两处裂纹源对面,轴断面呈脆断模 式,与SUS304奥氏体不锈钢的纯机械断裂模式不 同。断口附近轴柱面存在严重腐蚀,局部螺纹被完 全腐蚀,呈 黄 棕 色,腐 蚀 区 域 失 去 金 属 光 泽 [见 图 2b)]。进一步检查螺纹锁紧螺母与叶轮轴孔的腐 蚀形貌,两者均呈现明显的缝隙腐蚀特征(见图3)。

1.2 扫描电镜分析

对轴断面进行扫描电镜(SEM)观察,裂纹源1 区及扩展区SEM 形貌如图4所示,图4a)中可见明 显腐蚀坑,图4b)为典型疲劳条带形貌。

1.3 能谱分析 

对疲劳条带区进行能谱分析,发现局部 Cl - 富 集,整个断面都有 Cl - 分布,局部硫、氧、钠及钾元素 富集。能谱分析位置与结果如图5所示,元素分析 结果如表1所示。

1.4 金相检验

1.4.1 断面显微组织 

在轴断面上取样进行金相检验,可见断面显微 组织为奥氏体,并存在较多 的 点 蚀 坑,依 据 GB/T 4334—2020《金属和合金的腐蚀 奥氏体及铁素体奥氏体(双相)不锈钢晶间腐蚀试验方法》判定该组 织为七类凹坑组织(见图6)。

1.4.2 轴向显微组织 

将泵轴沿轴向切开,发现退刀槽口处存在垂直于轴向的扩展裂纹,裂纹起点、中端及尖端的显微组 织形貌如图7所示。 

2 综合分析 

缝隙腐蚀是指在腐蚀介质中金属表面上、缝隙和其他隐蔽的区域内发生的局部腐蚀。孔穴、垫片 接触面、搭接缝内、沉积物下、紧固件缝隙内是常发 生缝隙腐蚀的地方。依靠氧化膜或钝化层抗腐蚀的 金属在含氧的介质中都会发生缝隙腐蚀,其发生原 因是:缝隙内为缺氧区,由于自催化效应,缝隙内的 溶液会从中性变为酸性,阴离子会在缝隙内的溶液 中富集,引 起 缝 隙 内 的 金 属 表 面 状 态 与 缝 隙 外 不 同[8-9]。例如,钝化膜破坏而使金属表面成为活性溶 解状态。对于钝性金属来说,缝隙腐蚀过程原理上 同点蚀(小孔腐蚀)过程一样[10]。 

对于黑色金属的酸性腐蚀来说,析氢过程会引 起金属材 料 延 性 的 降 低 而 使 其 脆 性 增 加,即 引 起 “氢脆”。 

综合上述理化检验结果可知:该水环真空泵轴 断裂模式为应力、腐蚀、疲劳共同作用下的脆性断 裂。裂纹源位于退刀槽及附近区域,退刀槽尖锐,为 形状突变区域,易造成应力集中,腐蚀介质导致的点 蚀加速了裂纹源的产生,同时泵为偏心设置,轴转动 过程中产生交变应力,导致疲劳条带的出现,在扭转 剪切力的共同作用下裂纹快速扩展直至断裂。

3 结论与建议 

该水环真空泵轴在含有腐蚀介质的环境下,其 螺纹退刀槽附近发生缝隙腐蚀,同时在应力集中的 疲劳交变载荷的作用下,产生裂纹并逐渐扩展,最终 导致泵轴断裂。 

建议适当改进泵轴锁紧结构,如加装防止介质 进入缝隙的端面密封锁紧结构;控制介质的 pH 在 7以上,避免酸性腐蚀;加大退刀槽圆弧过渡,进一 步减小应力集中;更换泵轴材料,选用耐点蚀及 Cl - 腐蚀的材料;引入在线健康监测系统,控制泵轴振动 引起的交变应力。

参考文献: 

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<文章来源> 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 58卷 > 7期 (pp:32-34)>