循环水泵轴断裂原因分析
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产生的剪切力。剪切力的大小随电机转速呈周期性 变化， 由此产生的交变应力也随转速呈周期性变化 ， 且最大交变力与最小交变力大小相等 ， 方向相反。 即应力特征： r = σ min / σ max = － 1 说明泵轴承受的交变应力为对称循环型， 在对 称循环交变应力下校核泵轴断裂截面的疲劳强度 。 已知： 泵 轴 转 速 n = 970r / min， 轴 功 率 NW = 391kW， 泵轴断裂截面直径 d = 85. 0mm， 泵轴抗拉强 n］= 1. 7 。 度 σb = 530MPa， 取泵轴安全系数为［ 1 ） 计算工作应力： m = 9. 549 N W / n = 9. 549 × 391 × 103 /970 = 3849. 1N·m
表1 转速 （ r / min） 970 流量 （ m3 / h ） 2020 循环水泵具体参数 扬程 （ m） 59 轴功率 （ kW） 391 轴封 形式 填料密封 图1 表2 牌号 35
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断裂泵轴断口 35 # 钢机械性能 屈服点 （ MPa） 315 断后伸长率 断面收缩率 （ %） 20 （ %） 45
2 断裂原因分析
2. 1 断口宏观特征分析 断裂泵轴断口， 如图 1 所示， 呈现两个截面不同 ， ， 的区域 一个是粗糙区 一个是光滑区， 泵轴没有明 显的塑性变形， 离心泵轴断口宏观呈现疲劳断裂形 态。光滑区是泵轴在一定交变载荷作用下， 构件中 薄弱处或较薄弱的晶体， 沿最大剪应力方向形成的 滑移带， 滑移带开裂形成微观裂纹， 随着循环次数的 增加， 分散的微观裂纹经过汇聚沟通， 形成宏观裂 纹。宏观裂纹在持续交变力作用下不断扩展， 构件 的截面逐步被削弱， 这样就由裂纹扩展形成断口的 光滑区。当裂纹扩展达到临界尺寸时， 材料会突然 发生脆性断裂， 从而形成断口的粗糙区。 2. 2 疲劳强度校核 离心泵轴材质为 35 钢， 其机械性能见表 2 。 忽略离心泵转子组件自身的重力及转子不平衡 产 生的离心力 ， 离心泵轴主要承受旋转过程中扭转
3 腐蚀疲劳预防措施
腐蚀疲劳既然是腐蚀环境与循环应力的共同结 果， 那么腐蚀疲劳的控制主要包括以下三个方面 ： 改 改变材料和采取防护措施。 针对于循环水 进设计、 泵的具体情况， 改进设计或改变材料都是不太现实 的， 因此要预防离心泵轴发生腐蚀疲劳 ， 防止泵轴突 然断裂， 应该从控制腐蚀环境的形成及腐蚀缺陷的 及时消除着手： 1 ） 减少离心泵填料密封的泄露， 保证泵轴工作 空间洁净干燥， 减小潮湿空气的对泵轴的腐蚀作用 ； 2 ） 认真执行循环水泵的计划检修， 利用检修期 间对泵轴进行磁粉探伤检测， 及时消除泵轴早期形 成的腐蚀缺陷， 阻止初始疲劳裂纹的生成。
1. 断裂截面光滑区， 2. 断裂截面粗糙区 . 抗拉强度来自百度文库（ MPa） 530
2009 年 5 月该装置的 2 # 循环水泵在运行过程 中， 负荷端轴承箱与填料压盖间泵轴突然发生断裂 ， 由于未能及时停下电动机， 断裂截面发生相互碰撞 产生的冲击力， 致使轴承箱托架根部产生裂纹， 整体 铸造的下泵壳报废。
2+ 阳极（ Fe） Fe － 2e = Fe + 阴极（ 杂质） 2H + 2e = H2 ↑ + 2+ 总反应 Fe + 2H = Fe + H2 ↑ 由上述公式可知： 在潮湿大气的工作环境中， 铁 +
元素不断被腐蚀生成铁离子。腐蚀的结果导致在泵 在这些点蚀坑产生应力集中， 轴的表面形成点蚀坑， 当腐蚀损伤达到某一临界值时， 泵轴上便会形初始 疲劳裂纹。在交变力及腐蚀环境的共同作用下， 初 始裂纹不断扩展。当裂纹长度达到其临界裂纹长度 时， 泵轴难以承受外界载荷， 裂纹发生快速扩展， 最 终导致泵轴突然断裂。
4 小结
大多数化工设备的工作环境较为恶劣， 使用过 程中应该尽量为设备创造良好的工作环境 ， 加强落
图2 断裂泵轴与轴承箱托架的结构 1. 轴承箱托架， 2. 导流孔， 3. 弧形挡水板， 4. 轴 .
实计划检修， 及时消除存在的设备隐患， 才能保证设 避免由事故造成的不必要损失。 备正常的使用寿命，
揭示了腐蚀环境对疲劳裂纹的重大影响， 并提出了预防措施。 关键词： 宏观特征； 交变应力； 疲劳断裂； 腐蚀环境； 措施 中图分类号： TE964. 07
1 概述
兰州石化公司石油化工厂 306A 循环水装置内 有 5 台型号为 500S － 59 的单级双吸水平中开式循 环水泵， 其具体参数见表 1 。
参考文献： ［ 1］ 龚志钰， M］ ． 科学出版社， 2005. 李章政 . 材料力学［ ［ 2］ 陈林根 . 工程化学基础［ M］ ． 高等教育出版社， 2007. ［ 3］ 王荣主 . 金属材料的腐蚀疲劳［ M］ ． 西北工业大学出 2010. 版社，
由于离心泵采用填料密封， 轴端存在循环水泄 露的情况， 虽然泄露的循环水可以通过托架底部开 设的导流孔排出， 但是由于轴工作空间相对密闭， 致 使泵轴的工作环境潮湿。 在潮湿的空气中， 由于泵 轴表面的吸附作用， 就是泵轴表面覆盖了一层极薄
单纯的交变应力作用下的结果。从断裂离心泵轴的 ， 可以看到泵轴表面附着一层“锈皮 ” 除去这 表面， 些锈皮后， 发现泵轴局部出现点蚀坑。 在交变应力 泵轴发生了腐蚀疲劳。 及腐蚀环境的共同作用下， 1 ） 腐蚀疲劳特征： 腐蚀疲劳在任何腐蚀环境中 都可以发生， 往往交变应力低于材料的疲劳极限 ， 它 与介质的 PH 值、 氧含量温度及变动负荷的性质、 交 变应力的幅度和频率都有关系。 一般随着 PH 值减 含氧量增高、 温度上升腐蚀疲劳的寿命就越低， 同 小， 时大幅度、 低频率的交变应力更容易加快腐蚀疲劳。 2 ） 腐蚀环境的形成及腐蚀机理： 由断裂泵轴与轴承箱托架的结构， 如图 2 所示， 可以看出断裂轴的工作环境是由轴承托架及弧形挡 水板形成的一个相对密闭的空间 。
第 29 卷 第 8 期 2013 年 4 月
甘肃科技 Gansu Science and Technology
Vol. 29 No. 8 Apr. 2013
循环水泵轴断裂原因分析
1 2 魏立翠 ， 郝文旭
（ 1. 二十一冶金属结构分公司， 甘肃 兰州 730060 ； 2. 兰州石化公司石油化工厂， 甘肃 兰州 730060 ） 摘 要： 通过分析循环水泵轴断口的宏观特征， 校核了在单纯剪切交变应力作用下泵轴并不会发生疲劳断裂， 从而
SO2 等酸 的水膜。 工业大气中含有及较多的 CO2 、 性气体溶解倒水膜中， 水膜中将存在下列平衡： CO2 + H2 OH2 CO3 H + + HCO3 － SO2 + H2 OH2 SO3 H + + HSO3 － 此时铁（ 相对活泼的金属 ） 作为腐蚀电池的阳 极发生失电子的氧化反应； 氧化皮、 碳或其他比铁不 H 在这里接受电子发生得电子 活泼的杂质做阴极， 的还原反应：
3 τ max = m / W P = 3849. 1 /［Π / 16 × d ］ = 16 ×
3. 14 × 85 × 85 × 85 × 10 － 9］= 31. 9MPa 3849. 1 /［ 2 ） 确定 τ － 1 及各影响系数： 由泵轴材质的抗拉强度， 确定剪切疲劳极限： τ － 1 ≈0. 23 σb = 0. 23 × 530 = 121. 9 MPa 断裂截面处无尺寸变化， 由尺寸变化引起的应
第8 期
魏立翠等： 循环水泵轴断裂原因分析
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力集中可以忽略， 即有效应力集中系数： Kτ = 1 由泵轴直径及泵轴材质的抗拉强度， 查表可得 影响构件疲劳极限的尺寸效应系数 ： ε τ = 0. 71 由泵轴的表面加工方式及泵轴材质的抗拉强 ， 度 查表可得影响构件疲劳极限的表面质量系数 ： β = 0. 91 3 ） 校核断裂截面疲劳强度 n τ = ε τ βτ － 1 /［ K τ τ max］= 0. 71 × 0. 91 × 121. 9 /［ 1 × 31. 9］= 2. 45 ＞ ［ n］= 1. 7 因此在单纯的交变应力作用下， 理论上离心泵 轴不会发生疲劳断裂。 2. 3 疲劳断裂原因分析 由 2. 1 计算可知离心泵轴发生疲劳失效并不是
产生的剪切力。剪切力的大小随电机转速呈周期性 变化， 由此产生的交变应力也随转速呈周期性变化 ， 且最大交变力与最小交变力大小相等 ， 方向相反。 即应力特征： r = σ min / σ max = － 1 说明泵轴承受的交变应力为对称循环型， 在对 称循环交变应力下校核泵轴断裂截面的疲劳强度 。 已知： 泵 轴 转 速 n = 970r / min， 轴 功 率 NW = 391kW， 泵轴断裂截面直径 d = 85. 0mm， 泵轴抗拉强 n］= 1. 7 。 度 σb = 530MPa， 取泵轴安全系数为［ 1 ） 计算工作应力： m = 9. 549 N W / n = 9. 549 × 391 × 103 /970 = 3849. 1N·m
表1 转速 （ r / min） 970 流量 （ m3 / h ） 2020 循环水泵具体参数 扬程 （ m） 59 轴功率 （ kW） 391 轴封 形式 填料密封 图1 表2 牌号 35
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断裂泵轴断口 35 # 钢机械性能 屈服点 （ MPa） 315 断后伸长率 断面收缩率 （ %） 20 （ %） 45
2 断裂原因分析
2. 1 断口宏观特征分析 断裂泵轴断口， 如图 1 所示， 呈现两个截面不同 ， ， 的区域 一个是粗糙区 一个是光滑区， 泵轴没有明 显的塑性变形， 离心泵轴断口宏观呈现疲劳断裂形 态。光滑区是泵轴在一定交变载荷作用下， 构件中 薄弱处或较薄弱的晶体， 沿最大剪应力方向形成的 滑移带， 滑移带开裂形成微观裂纹， 随着循环次数的 增加， 分散的微观裂纹经过汇聚沟通， 形成宏观裂 纹。宏观裂纹在持续交变力作用下不断扩展， 构件 的截面逐步被削弱， 这样就由裂纹扩展形成断口的 光滑区。当裂纹扩展达到临界尺寸时， 材料会突然 发生脆性断裂， 从而形成断口的粗糙区。 2. 2 疲劳强度校核 离心泵轴材质为 35 钢， 其机械性能见表 2 。 忽略离心泵转子组件自身的重力及转子不平衡 产 生的离心力 ， 离心泵轴主要承受旋转过程中扭转
3 腐蚀疲劳预防措施
腐蚀疲劳既然是腐蚀环境与循环应力的共同结 果， 那么腐蚀疲劳的控制主要包括以下三个方面 ： 改 改变材料和采取防护措施。 针对于循环水 进设计、 泵的具体情况， 改进设计或改变材料都是不太现实 的， 因此要预防离心泵轴发生腐蚀疲劳 ， 防止泵轴突 然断裂， 应该从控制腐蚀环境的形成及腐蚀缺陷的 及时消除着手： 1 ） 减少离心泵填料密封的泄露， 保证泵轴工作 空间洁净干燥， 减小潮湿空气的对泵轴的腐蚀作用 ； 2 ） 认真执行循环水泵的计划检修， 利用检修期 间对泵轴进行磁粉探伤检测， 及时消除泵轴早期形 成的腐蚀缺陷， 阻止初始疲劳裂纹的生成。
1. 断裂截面光滑区， 2. 断裂截面粗糙区 . 抗拉强度来自百度文库（ MPa） 530
2009 年 5 月该装置的 2 # 循环水泵在运行过程 中， 负荷端轴承箱与填料压盖间泵轴突然发生断裂 ， 由于未能及时停下电动机， 断裂截面发生相互碰撞 产生的冲击力， 致使轴承箱托架根部产生裂纹， 整体 铸造的下泵壳报废。
2+ 阳极（ Fe） Fe － 2e = Fe + 阴极（ 杂质） 2H + 2e = H2 ↑ + 2+ 总反应 Fe + 2H = Fe + H2 ↑ 由上述公式可知： 在潮湿大气的工作环境中， 铁 +
元素不断被腐蚀生成铁离子。腐蚀的结果导致在泵 在这些点蚀坑产生应力集中， 轴的表面形成点蚀坑， 当腐蚀损伤达到某一临界值时， 泵轴上便会形初始 疲劳裂纹。在交变力及腐蚀环境的共同作用下， 初 始裂纹不断扩展。当裂纹长度达到其临界裂纹长度 时， 泵轴难以承受外界载荷， 裂纹发生快速扩展， 最 终导致泵轴突然断裂。
4 小结
大多数化工设备的工作环境较为恶劣， 使用过 程中应该尽量为设备创造良好的工作环境 ， 加强落
图2 断裂泵轴与轴承箱托架的结构 1. 轴承箱托架， 2. 导流孔， 3. 弧形挡水板， 4. 轴 .
实计划检修， 及时消除存在的设备隐患， 才能保证设 避免由事故造成的不必要损失。 备正常的使用寿命，
揭示了腐蚀环境对疲劳裂纹的重大影响， 并提出了预防措施。 关键词： 宏观特征； 交变应力； 疲劳断裂； 腐蚀环境； 措施 中图分类号： TE964. 07
1 概述
兰州石化公司石油化工厂 306A 循环水装置内 有 5 台型号为 500S － 59 的单级双吸水平中开式循 环水泵， 其具体参数见表 1 。
参考文献： ［ 1］ 龚志钰， M］ ． 科学出版社， 2005. 李章政 . 材料力学［ ［ 2］ 陈林根 . 工程化学基础［ M］ ． 高等教育出版社， 2007. ［ 3］ 王荣主 . 金属材料的腐蚀疲劳［ M］ ． 西北工业大学出 2010. 版社，
由于离心泵采用填料密封， 轴端存在循环水泄 露的情况， 虽然泄露的循环水可以通过托架底部开 设的导流孔排出， 但是由于轴工作空间相对密闭， 致 使泵轴的工作环境潮湿。 在潮湿的空气中， 由于泵 轴表面的吸附作用， 就是泵轴表面覆盖了一层极薄
单纯的交变应力作用下的结果。从断裂离心泵轴的 ， 可以看到泵轴表面附着一层“锈皮 ” 除去这 表面， 些锈皮后， 发现泵轴局部出现点蚀坑。 在交变应力 泵轴发生了腐蚀疲劳。 及腐蚀环境的共同作用下， 1 ） 腐蚀疲劳特征： 腐蚀疲劳在任何腐蚀环境中 都可以发生， 往往交变应力低于材料的疲劳极限 ， 它 与介质的 PH 值、 氧含量温度及变动负荷的性质、 交 变应力的幅度和频率都有关系。 一般随着 PH 值减 含氧量增高、 温度上升腐蚀疲劳的寿命就越低， 同 小， 时大幅度、 低频率的交变应力更容易加快腐蚀疲劳。 2 ） 腐蚀环境的形成及腐蚀机理： 由断裂泵轴与轴承箱托架的结构， 如图 2 所示， 可以看出断裂轴的工作环境是由轴承托架及弧形挡 水板形成的一个相对密闭的空间 。
第 29 卷 第 8 期 2013 年 4 月
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Vol. 29 No. 8 Apr. 2013
循环水泵轴断裂原因分析
1 2 魏立翠 ， 郝文旭
（ 1. 二十一冶金属结构分公司， 甘肃 兰州 730060 ； 2. 兰州石化公司石油化工厂， 甘肃 兰州 730060 ） 摘 要： 通过分析循环水泵轴断口的宏观特征， 校核了在单纯剪切交变应力作用下泵轴并不会发生疲劳断裂， 从而
SO2 等酸 的水膜。 工业大气中含有及较多的 CO2 、 性气体溶解倒水膜中， 水膜中将存在下列平衡： CO2 + H2 OH2 CO3 H + + HCO3 － SO2 + H2 OH2 SO3 H + + HSO3 － 此时铁（ 相对活泼的金属 ） 作为腐蚀电池的阳 极发生失电子的氧化反应； 氧化皮、 碳或其他比铁不 H 在这里接受电子发生得电子 活泼的杂质做阴极， 的还原反应：
3 τ max = m / W P = 3849. 1 /［Π / 16 × d ］ = 16 ×
3. 14 × 85 × 85 × 85 × 10 － 9］= 31. 9MPa 3849. 1 /［ 2 ） 确定 τ － 1 及各影响系数： 由泵轴材质的抗拉强度， 确定剪切疲劳极限： τ － 1 ≈0. 23 σb = 0. 23 × 530 = 121. 9 MPa 断裂截面处无尺寸变化， 由尺寸变化引起的应
第8 期
魏立翠等： 循环水泵轴断裂原因分析
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力集中可以忽略， 即有效应力集中系数： Kτ = 1 由泵轴直径及泵轴材质的抗拉强度， 查表可得 影响构件疲劳极限的尺寸效应系数 ： ε τ = 0. 71 由泵轴的表面加工方式及泵轴材质的抗拉强 ， 度 查表可得影响构件疲劳极限的表面质量系数 ： β = 0. 91 3 ） 校核断裂截面疲劳强度 n τ = ε τ βτ － 1 /［ K τ τ max］= 0. 71 × 0. 91 × 121. 9 /［ 1 × 31. 9］= 2. 45 ＞ ［ n］= 1. 7 因此在单纯的交变应力作用下， 理论上离心泵 轴不会发生疲劳断裂。 2. 3 疲劳断裂原因分析 由 2. 1 计算可知离心泵轴发生疲劳失效并不是