张 杰，闫 渊，吴 峰

（1.中国石油化工股份有限公司 中原油田普光分公司，四川达州 635000；2.西北大学 化工学院，西安 710069）

0 引言

某高含硫天然气净化装置脱硫单元配备有24台再生塔底贫胺液泵，泵规格型号为12×16×23A-BBTD，为两级离心泵，首级双吸，泵额定功率为525 kW，出口压力1 840 kPa。泵结构见图1，详细技术参数见表1，该天然气净化装置工艺流体为贫胺液，主要物料组分见表2。

图1 转子关键部件

表1 再生塔底贫胺液泵工艺技术参数

表2 装置工艺流体成分分析（贫胺液）

装置检修过程中，频繁发现该系列泵存在泵轴键槽开裂、叶轮腐蚀穿孔等问题（见图2），严重影响设备复装及装置平稳运行。

图2 泵轴失效

1 泵轴失效原因分析

为查明问题根源，制定解决方案，避免类似事件再次发生，以该净化装置再生塔底贫胺液泵泵轴为研究对象，对试验样品进行宏观及PT检查，腐蚀坑检查、低倍检查、化学成分分析、非金属夹杂物评定、断口分析［1］，本文主要对泵轴材质进行拉伸试验、冲击试验、硬度测试等力学性能试验，同步开展泵轴键槽失效部位应力分析，结合试验结果判定泵轴失效原因，具体试验过程及数据如下。

1.1 力学性能试验

对试验样品（失效泵轴）进行宏观及PT检查，检查部位包括泵轴键槽开裂部位、典型缺陷部位及便于分析比对部位，如泵轴点蚀部位（过流部位）、联轴器键槽部位（扭矩最大），本节主要对样品进行力学性能试验。力学性能试验路线：试样分别采取来样状态和重新热处理后状态分别试验，比对其力学性能，同时与GB/T1220对泵轴材质（0Cr17Ni7Al）要求进行比对，分析钢材是否达标。样品热处理工艺为（1 070 ℃/1.5 h+水淬）+（760 ℃/1.5 h+风冷）+（565 ℃/1.5 h+空冷）。

1.1.1 拉伸试验

为保证拉伸试验的准确性和可重复性，每种形状的试样制作2件。静态拉伸试验在微机控制电子万能试验机上进行，试验机规格型号CMT-5105A，试验拉伸速度5 mm/min，拉伸过程中用机械式引伸计对试件的伸长量进行测量，直至试件断裂失效。沿轴的中心及近外表面轴向方向截取拉伸试样，试验结果发现：无论是来样状态还是经重新热处理后的试样，其拉伸试验结果均满足GB/T1220中0Cr17Ni7Al钢的要求。试验结果见表3。

表3 拉伸试验结果

1.1.2 冲击试验

试验结果见表4。

表4 冲击试验结果

取样部位：沿轴的中心部位和近外表面分别截取轴向和径向冲击试样，热处理样品为径向取样，试样尺寸为55 mm×10 mm×10 mm V型缺口标准试样，冲击试验在微机控制电子万能试验机上进行，试验机规格型号为CMT-5105A。试验结果表明：来样状态的冲击功轴向取样大于横向取样，说明轴的各项异性较明显，热处理后试样冲击功与来样性能相当。

1.1.3 硬度测试

分别对来样状态和热处理状态下轴的近外壁边缘部位、1/2半径及中心部位进行硬度测试，采用数字式显微硬度计进行数据采集。测试结果表明：测试部位的硬度均能满足GB/T1220中对泵轴材质（0Cr17Ni7Al）钢的要求。测试结果见表5。

表5 硬度测试结果HV（10）

1.2 泵轴键槽应力计算

1.2.1 运行工况分析

键槽开裂问题存在以下几种因素：（1）泵在启动过程中，启动扭矩大于正常运行时扭矩值，长周期运行会导致泵轴材质疲劳破坏，同时键槽接触面应力值显著增大，受工艺流体影响，存在应力腐蚀开裂现象发生［2］。（2）键槽的加工精度和组装配合偏差，会导致键槽侧向受力面受力不均，键槽侧向边缘出现轴向挤压裂纹。（3）与封闭键槽相比，开放键槽受力面的剪切应力要大得多，使键槽底部实际受力超过其断裂极限，导致裂纹萌生，尤其启泵阶段，产生裂纹起源的危险更大［3-5］。

1.2.2 泵轴键槽应力计算

根据泵轴失效大多集中在轴键槽位置的现象，对泵轴键槽的受力情况进行计算分析。

泵轴键槽应力轴所传递的扭矩Mn为：

Mn=9 550P/n

式中P——额定轴功率，kW；

n——电机额定转速，r/min。

由泵数据表查得：P=525 kW，n=1 475 r/min，则Mn=3 399.2 N·m。

键槽工作面的挤压应力σp为：

σp=Mn/(HkL)

式中H——键槽处触面中心到轴心距离；

k——键与键槽接触面的高度；

L——键的工作长度。

联轴器处的键槽尺寸如图3所示，则此处的挤压应力为：

图3 联轴器部位的轴键槽尺寸

二级叶轮处的键槽尺寸如图4所示，因贫胺液泵为两级结构，所以此处键槽所传递的扭矩为Mn/2，则此处挤压应力为：

图4 二级叶轮部位的轴键槽尺寸

一级叶轮处的键槽尺寸如图5所示，因贫胺液泵为两级结构，此处又为双键传递，考虑载荷分布不均匀性，双键的连接强度按1.5个健计算，所以键槽所传递的扭矩为Mn/3，则此处挤压应力为：

图5 一级叶轮部位的轴键槽尺寸

泵轴材质为0Cr17Ni7Al钢，允许挤压应力为960 MPa。结合上述计算数据，该系列再生塔底贫胺液泵正常运行工况下，联轴器键槽部位承受最大挤压应力，数值为126.8 MPa；二级叶轮键槽工作面承受的挤压应力数值为64.58 MPa；一级叶轮部位的轴键槽工作面所承受的挤压应力为36.04 MPa。

鉴于键槽工作面所承受的挤压应力是非均匀的，可按三角形分布计算，综合考虑泵轴背侧存在挤压应力的影响，泵轴键槽工作面的最大挤压应力可达到以上计算挤压应力数值的3～4倍。即便如此，泵轴各键槽部位的挤压应力均未超过泵轴材质的许用应力960 MPa。

1.3 泵轴失效原因分析

通过上述力学性能试验及应力计算可知：

（1）来样状态和重新热处理状态下，拉伸试验结果均满足GB/T1220中对0Cr17Ni7Al钢的拉伸性能要求。

（2）来样状态的冲击功轴向取样大于径向取样，经热处理后的横向取样冲击功略高于来样状态。

（3）来样状态和热处理状态下轴的近外壁边缘、1/2半径及中心部位硬度均能满足GB/T1220中对0Cr17Ni7A1钢的拉伸性能要，经热处理后的硬度值均高于来样状态下的硬度。

（4）该系列泵启机及运行过程中，联轴器键槽工作面的应力最大（126.8MPa），但未发生键槽开裂，发生开裂的一、二级叶轮键槽部位应力值远低于联轴器键槽部位，且均未超过泵轴材质（0Cr17Ni7AL）的许用应力（960 MPa）。

（5）失效泵轴仅在过流区域泵轴键槽存在开裂现象，键槽裂纹呈贝壳状的纹路，并有被挤压的裂痕；裂纹的走向和裂纹与键槽工作面所受到的挤压应力相符［6-9］，一、二级叶轮键槽工作面所受挤压应力与裂纹走向如图6所示。

图6 叶轮键槽部位工作面挤压应力与裂纹走向

（6）失效泵轴心部、1/2半径和近外壁非金属夹杂物类型主要为AI2O3，CaO和少量MnS类，总体钢质较纯净；二级叶轮键槽处裂纹沿与外壁平行的方向呈穿晶扩展，基本无分支，裂纹附近的金相组织正常（马氏体+铁素体+Ni3AI颗粒）；断口表面腐蚀产物主要为S和O元素，局部检出P，C，Si，Ca，Na，Mg，AI等元素；

综合以上信息，得出以下结论：失效泵轴材质及性能满足GB/T1220对0Cr17Ni7A1钢的要求，叶轮键槽开裂机理为腐蚀疲劳，发生腐蚀疲劳的2个关键因素是腐蚀环境和交变载荷。

2 处理措施

泵轴材质由之前的0Gr17Ni7Al升级为XM-19，泵轴叶轮材质由 ASTM A743Gr.CF8M（316）升级为316 L，材质升级后的泵轴、叶轮于2017年4月在装置检修期间投用，经过一个大修周期（3年），2020年4月装置检修期间对升级材质后泵轴、叶轮进行复查，效果良好，转子部件表面光洁，无裂纹及点蚀问题。

3 结语

针对某高含硫天然气净化装置再生塔底贫胺液泵泵轴失效问题，经分析发现其失效泵轴材质及性能满足GB/T1220对0Cr17Ni7Al钢的要求，叶轮键槽开裂机理为腐蚀疲劳，发生腐蚀疲劳的两个关键因素是腐蚀环境和交变载荷。因此，对于石化行业使用设备，在研发阶段就须综合考虑工艺流体对材质的性能要求，对于故障频发设备或部件，应积极依托具有相关检验/检测资质的科研院所开展失效分析，结合分析报告制定行之有效的技改方案或整改措施，是实现设备本质安全，企业降本增效、节能降耗的有利举措。