( School of Mechanical Engineer ing, L iaoning Univer sity of Petr oleum & Chemical T echnology , Fushun L iaoning 113001, P . R . China)
Receiv ed 18 A p r il 2005; r evised 10 June 2005; accep ted 15 J une 2005 Abstract: T hr ough a great deal of ex periments, a failure axle of air - breathing pump on the top of decompression tower w as analyzed and researched in details, and then its causes of inactivation was found out. Chemical components, mechanical properties, metallurgical structure and corrosion substance in the pit of the pump axle w er e tested. By analyzing t he results of tests, thr ee main causes of the axle inactiv at ion are concluded. F irstly, non- metallic inclusions in the microsco pic structure go heav ily beyond the standard value. Secondly, microscopic structure do esn. t confor m to technical requirements. Finally, in the bottom of pump axle. s keyw ay , sectional dimension chang es g reatly, the keyw ay. s root is sharp- angled, and there ex ist many cor rosion pits. T hese defects act as shar p gaps. U nder the effect of alternately rotating and winding load, notch effects happen heav ily along t hese defects, and a v er y high local stress concentration is formed, which leads to failure due to pump axle. s fatigue fracture. O n the basis of confir ming failure causes, a pr oposal is put for ward that the relevant measures ar e taken to prevent pump axle fr om fatigue cracking too early and prolong its o perating life. Key words: Pump ax le; Fatig ue fractur e; Failure; Stress concentration * Corresponding author . T el. : + 86- 413- 6865150; fax: + 86- 413- 6865150; e- mail: zgf- fs@ 163. com
表 2 泵轴机械性能及标准值
数据 来源
试样 尺寸/
mm
实验 温 度/
e
热处理 状态
机械性能
Rb /
R0. 2 /
Ds ,
( N#mm- 2 ) ( N# mm- 2 )
%
7,
ak/
HB
%
( J#cm- 2)
920~ 980 e
油冷淬火
1 030
87 0
14
47
36. 25
2 79
测定值
70
20
600~ 750 e
断口上疲劳裂纹扩展区的区域大, 快速静断区 的区域小, 而且疲劳弧带较为平直, 疲劳源只从一点 开始, 故它属于 低应力疲劳断裂[ 5- 6] , 断口为疲劳 断口。 2. 2 微观分析 2. 2. 1 非金属夹杂物在断口表面上的分布 在扫 描电镜下观察整个断口表面, 非金属夹杂物( 主要为 Cr2O 3 和 Fe2O, 还有 SiO2、CaO 以及 M nS 等) 呈聚集
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辽宁石油化工大学学 报
第 25 卷
轴在工作过程中承受着一个交变的旋转弯曲载荷作 裂部位及其附近的外表面, 形成了许多沿外表面环
用。打开泵体, 发现在泵轴键槽底部的蚀坑处发生 向密集分布的大小与深度不等的蚀坑; 在泵轴断裂
断裂。
部位处, 键槽的根部成尖角。
1. 2 化学成分
1 材质和性能检验
1. 1 外观检查 由于受油品中腐蚀介质的腐蚀作用, 在轴的断
泵轴断裂原因分析
王丽娟, 张国福* , 宋天民, 孔祥军, 郭文浩
( 辽宁石油化工大学机械工 程学院, 辽宁抚顺 113001)
摘 要: 通过大量的实验对失效后 的减顶泵泵轴进行了详细分析 与研究, 确定了其 失效的原 因。对失效泵 轴
的化学成分、机械性能、金相组织以及蚀坑内的腐蚀产物等进行了检 验, 通 过对检验结 果的分析, 确定泵 轴失效的 主
某蒸馏装置减压塔塔顶吸气泵( 简称: 减顶泵, 型号为: 4F DR5 @ 2 型) , 运行 22 个月后, 泵轴突然 发生脆性断裂, 而减顶泵的设计寿命为 100 000 h, 可见此泵的实际使用寿命远远低于其设计使用寿命。
收稿日期: 2005- 04- 18 作者简介: 王丽娟( 1979- ) , 女( 满 族) , 辽宁普兰 店市, 在读
区[ 4] 。疲劳弧带以疲劳源为核心, 似水波形式向外 扩展, 形成许多同心弧形带, 故宏观的疲劳源区为点 状疲劳源。点状疲劳源具有辐射状的疲劳台阶, 并 指向疲劳源。因此, 断口上的疲劳裂纹源为键槽底 部密集分布的尺寸较大、深度较深的蚀坑。 2. 1. 2 疲劳裂纹扩展区 如图 3 所示, 断口中部的 唇边较 钝, 表面较平整、光亮、呈细瓷 状, 还有明显 的、相互平行的、从疲劳源区开始向前推进的、呈贝 壳花样或海滩状花样的疲劳弧带, 它围绕的中心即 为疲劳裂纹源, 由此可以判断此部分为扩展区。
标准值
0. 26~ 0. 35
[ 1. 00
[ 1. 00
[ 0. 035
[ 0. 030 12. 00~ 14. 00
1. 3 机械性能检验
见表 2。由表 2 可见, 失效泵轴室温下机械性能符
从失效泵轴上切取纵向试样, 机械加工成标准 合 GB1200- 92 所规定的标准值。
的光滑圆柱试样和冲击试样, 测定其室温机械性能
2 断口分析
2. 1 宏观分析 断口的宏观形貌如图 3 所示, 断口表面呈比较
平滑的细瓷状特性, 没有明显的塑性变形迹象, 故属 于脆性断裂。断口明显地分为 3 个区: 裂纹起始区、 扩展区及瞬时静断区。
2. 1. 1 疲劳裂纹起始区 疲劳裂纹的起始区, 即疲 劳源区, 是疲劳裂纹的起点。从图 3 可以看出, 断口 的上部表面平整, 光泽较亮, 粗糙度较小, 外侧棱边 较钝, 形成了所谓的拇指甲花样, 故此部分为疲劳源
下, 因此, 实际晶粒度符合要求。
1. 4. 3 显微组织 显微组织如图 2 所示, 从表面到 心部均为保留马氏体位向的回火索氏体+ 少量的粒
第3期
王丽娟等. 泵轴断裂原因分析
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状碳化物。而 3Cr13 马氏体不锈钢经调质后, 正常 的显微组织从表面到心部应为保留马氏体位向的回 火索氏体[ 3] 。失效泵轴所使用的 3Cr13 马氏体不锈 钢是在退火状态下供货的, 退火状态下正常的显微 组织为粒状珠光体+ 沿晶界呈断续网状分布的粒状 碳化物。但此泵轴在淬火时的加热温度较低或保温 时间过短, 致使其粒状珠光体中的碳化物未全部溶 入到奥氏体中去, 就进行了淬火及高温回火处理, 所 以泵轴在调质处理后, 仍保留了退火显微组织中的 粒状碳化物。因此, 泵轴的显微组织不符合要求。
第 25卷第 3期
辽宁 石 油 化 工 大 学 学 报
Vol. 25 No . 3
2005 年 9 月 JOU RN AL OF L IAON IN G U N IV ERSIT Y OF PET ROLEU M & CH EM ICAL T ECH NOL OGY Sep. 2005
文章编号: 1672- 6952( 2005) 03- 0043- 05
ห้องสมุดไป่ตู้
而失效 。在明确 了泵轴失效原因的基础上, 提出了 在生产 中, 预 防泵轴 过早发 生疲劳 断裂, 延长其 使用寿 命所应 采
取的相应措施。
关键词: 泵轴; 疲劳断裂; 失效; 应力集中
中图分类号: T H317
文 献标识码: A
Fracture A nalysis of Pump Axle
WANG L i- juan, ZHANG Guo- f u* , SONG T ian- min, KONG Xiang- jun, GUO Wen- hao
由图 3 可以看出, 断口上疲劳裂纹扩展的疲劳 弧带条数很多, 说明泵轴在运行过程中承受过交变 旋转弯曲载荷循环的次数很多, 所以疲劳裂纹扩展 的面积很大; 但疲劳弧带的间距是不规则的, 说明泵 轴在运行过程中承受的交变旋转弯曲载荷或应力也 是不规则的; 疲劳弧带的间距较小, 弧形带较细密, 说明泵轴材质的塑性较好, 疲劳裂纹的扩展较缓慢。 2. 1. 3 瞬时静断区 瞬时静断区又称快速断裂区, 图 3 所示断口表面的下部较粗、较暗、较钝, 呈粗晶 粒状, 最终倾斜角不大, 并呈放射状的撕裂棱线, 这 说明断裂是急速进行的, 故该区为瞬时静断区。