高压煤浆泵曲轴断裂分析

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【摘 要】 从材质、宏观、显微结构等方面分析了进口高压煤浆泵曲轴断裂的原因，对曲轴的结构、材质、高压煤浆泵的使用维护等提出建议。

【关键词】 高压煤浆泵 曲轴 断裂

往复式活塞隔膜泵是各类水煤浆气化系统及大型煤化工成套装置的核心设备，主要用途是向煤气化装置高压喂送水煤浆料，该设备采用PLC控制的机电一体化，具有高效、节能、性能可靠、连续运转率高等诸多优点，其设计、制造涉及机械、电子、液压、橡胶等多学科技术，技术含量高。由于大型水煤浆气化系统对设备连续长期稳定运行要求很高，普通的往复式活塞泵由于其易损件经不住高粘度和高比重煤浆磨蚀与磨损，致使其连续运转率无法满足工艺系统的要求，而往复式活塞隔膜泵采用橡胶隔膜将水煤浆与液力端活塞件隔离，使得活塞免受煤浆的磨蚀与磨损，从而延长了使用寿命，保证了工艺系统的高连续运转率。因此，煤气化水煤浆喂料大多数选择往复式活塞隔膜泵。

由于国产的往复式活塞隔膜煤浆泵从技术水平、性能指标与进口产品比较还有较大差距，所以目前煤化工企业大多选择进口的往复式活塞隔膜泵，主要有隔膜泵、软管隔膜泵。

某公司高压煤浆泵选用软管隔膜泵，2012年6月至2013年1月，相继发生两台煤浆泵的曲轴断裂故障，另有一台煤浆泵在检查中发现曲轴表面出现长约200mm的裂纹，三台煤浆泵断裂和出现裂纹的部位均在同一位置。该曲轴材料G26CrMo4，经铸造成型和调质处理，断裂处轴颈350mm。

1 高压煤浆泵技术参数

如表1，图1。

2 化学成分分析和力学性能检测

为分析曲轴断裂原因，取断面试样进行实验室分析。对其材质、力学性能、显微组织等进行分析。各项分析结果如下。

通过表2实测化学成分和标准值的对比，曲轴的材质符合要求，但表3中的冲击功（KU2）试验结果显示数据不均匀，差别较大。

3 断面宏观分析

曲轴断裂位置位于轴的结构形状变化处，该处属于应力集中程度较大的位置。断面呈椭圆形，其上可见疲劳裂纹稳定扩展阶段形成的弧形线，因此断裂性质属疲劳断裂，形态见图2、3。由于疲劳扩展条纹的汇集处即为裂源，所以图2、3中的下方即为裂源位置，与裂源相对的位置为瞬断区，从图2、3可以看出，疲劳扩展区占断口总面积比例较大，超过50%，说明曲轴的断裂性质为交变载荷作用下的（单向）弯曲疲劳断裂，且导致断裂的实际应力（弯曲应力）不大。

4 断面微观分析

在裂源处和瞬断区分别取样，做显微组织分析，裂源附近所取样品，检验面上可见明显的区域成分偏析及铸造枝晶偏析，形态见图4，图5为区域成分偏析交界处的形态。其中一侧显微组织为回火索氏体+铁素体，属于调质工艺组织，且基体组织中可见粗大的晶界，形态见图6。另一侧黑色偏析带区域显微组织为回火索氏体，也属于调质工艺组织，基体上可见非金属夹杂物，形态见图7。在裂源附近的显微组织中可见沿晶界形成的组织偏析，形态见图8，9。同时，在裂源附近还观察到铸造冷隔缺陷，形态见图10，11。在瞬断区断口边缘可见微裂纹，形态见图12，靠近断口边缘，呈线状偏析带，形态见图13，14。基体中也可见非金属夹杂物，形态见图15。

5 断裂原因分析

通过对曲轴断面试样的材质、力学性能、显微组织等分析试验，可以断定该曲轴材质符合G26CrMo4要求。

由于曲轴截面尺寸较大，采用的是铸造成型，通常在铸造成型时，由于金属凝固存在一定的液、固相共存区，由于液态金属中各组分的凝固点不同，因而不可避免的存在结晶的先后次序不同和化学成分的不均匀性，铸造成型后会使铸件存在较多的铸造缺陷，如区域性成分偏析、枝晶偏析、疏松、气孔、夹杂物、裂纹、冷隔等，铸造缺陷破坏了铸件金属表面及内部的连续性，往往成为应力集中源和断裂源，因而铸件的使用范围存在一定局限性。

由试验结果知，曲轴材质中可见明显的区域成分偏析、线状偏析带。组织的不均匀性可直接导致性能的不一致，使用过程中引发应力集中，降低铸件的力学性能、断裂韧度及抗疲劳性能等。曲轴材质的不均匀性在力学性能检测检测结果中也得到验证，冲击试验结果数据不均匀，冲击功差别较大。

除在曲轴材质中观察到偏析和不均匀性外，在裂源附近还检测到对材料性能危害最大的铸造冷隔缺陷，冷隔缺陷破坏了铸件组织的连续性与完整性，由于曲轴工作过程中会受到交变载荷的作用，而冷隔缺陷相当于裂纹，交变载荷的作用会使缺陷处形成应力集中，并因疲劳而使缺陷扩大，导致铸件早期失效。

曲轴均在同一位置发生疲劳断裂，但是疲劳扩展区的面积超过50%，曲轴三维图中的另一处曲拐，未出现任何问题。因此可以断定是曲轴的铸造工艺存在缺陷。

6 结论和建议

综合以上结果和分析，曲轴在正常工作状态会受到交变载荷作用，而断口附近的成分偏析及铸造冷隔缺陷恶化了材料的使用性能，加以交变载荷的持续作用，会使缺陷处形成应力集中，诱发疲劳裂纹的形成和扩展，最终导致疲劳破坏的发生。建议：为尽早发现曲轴在使用中产生的裂纹缺陷，应定期对高压煤浆泵曲轴曲拐等易形成应力集中部位进行表面着色检测；大型铸件在铸造过程中产生的成分偏析、夹渣、气孔、裂纹、冷隔等缺陷很难避免，建议最好将曲轴材质改为锻件。

参考文献：

[1]钢铁金相学与热处理基础.机械工业出版社.2007.

[2]金相检验技术基础.机械工业出版社.1987.

[3]铸造手册.铸铁（第2版）.机械工业出版社.2011.