焦炭塔水马达快速接头断裂原因分析

王勇

（中国石油独山子石化分公司研究院，新疆 独山子 833699）

焦炭塔水马达快速接头断裂原因分析

王勇

（中国石油独山子石化分公司研究院，新疆 独山子 833699）

从断口宏观特征、力学性能、化学成分以及金相组织等方面对焦炭塔水马达快速接头断裂原因进行了分析，结果表明，铸造质量差、调质处理不彻底、内部存在气孔和裂纹，造成机械性能不足，是引起快速接头断裂的主要原因。

焦炭塔；快速接头；断裂；铸造质量

1 概述

2010年11月，某公司延迟焦化装置焦炭塔塔顶除焦岗位操作工巡检时听见一声巨响，伴随焦炭塔塔架剧烈震动，之后发现焦炭塔钻杆与水马达之间快速接头已经断裂，水马达及水切焦喷嘴组件掉进焦炭塔内。焦化装置操作室仪表显示高压水泵流量突然增大。延迟焦化装置开工时间仅一年两个月。为查明断裂原因，进行焦炭塔水马达快速接头失效分析。

该焦炭塔水马达主要参数：操作压力28～31 MPa，设计流量220～350 m3/h，输出轴转速13.3～19.2 r/min，最大输出扭矩5000 Nm，水马达重量575 kg。

该焦炭塔除焦系统属于有井架水力除焦系统，其基本原理是：由高压水泵输出的高压水，经过水龙带、钻杆、水马达到水力切焦器的喷嘴。从水力切焦器喷嘴喷出的高压水，形成高压射流，借助于高压射流的强大冲击力，将石油焦从塔内切割下来，水力切焦器不断地升降移动和旋转，直到把焦炭塔内的石油焦全部除尽为止。除焦时水力切焦器及水马达快速接头在焦炭塔内最高环境温度不大于120℃。

2 检测和分析

2.1 宏观检查

断口宏观分析表明：水马达快速接头断口呈脆性断裂特征，主断口表面粗糙不平，呈灰黑色颗粒状，晶粒粗大，水马达快速接头断口肉眼未见明显的外观变形，断口无断裂纤维区，为典型的铸件脆性断裂断口。主断面与法兰面基本平齐，开裂起源于内径变径坡口处，略倾斜向法兰颈根部外表面圆角扩展，断面宏观发现断裂截面内部存在5×20 mm大气孔、裂纹等铸造缺陷（见图1）。水马达快速接头宏观断口平面与拉伸应力相垂直，属正断型开裂（见图2）。断口多处有明显的晶界开裂迹象，组织呈现疏松特征。总体来看，该材料冶金质量较差。水马达快速接头内表面平整光滑，壁厚均匀，无腐蚀迹象。

2.2 化学成分分析

根据车间提供的资料，断裂的水马达快速接头材质为ZG20Cr13。为核实该接头材质，用SPECTR OLab直读光谱仪进行了化学成分分析，分析结果见表1。

图1 水马达快速接头断面宏观形貌

图2 水马达快速接头断裂部位示意图

经过表1试验可知，断裂的水马达快速接头化学成分分析结果与GB/T2100-2002《一般用途耐蚀钢铸件》中ZG20Cr13的化学成分相符。

2.3 力学性能分析

为检验断裂的水马达快速接头力学性能指标是否满足设计要求及实际工况需要，进行了常温拉伸力学性能试验，试验按GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》要求进行，试验结果见表2。

表1 断裂接头材料化学成分(质量分数) %

表2 断裂接头拉伸力学性能试验结果

由表2试验结果可见，断裂接头材料的拉伸性能强度指标均远低于GB/T2100-2002《一般用途耐蚀钢铸件》相关要求。

2.4 金相分析结果

选取断裂的水马达快速接头横截面进行金相分析，金相组织均为球状珠光体、铁素体及少量片状珠光体，碳化物沿晶界呈链状连续分布，组织不均匀且组织粗大。金相组织为非正常调质组织，该快速接头调质处理不彻底，见图3。

图3 断裂接头横截面金相组织形貌500×

3 快速接头断裂原因分析

断裂的原因与水马达快速接头自身承受的拉应力有关。焦炭塔正常切焦过程中，水马达、水切焦喷嘴组件和强大的水压以及焦炭阻力在整个快速接头截面上构成了较大的综合应力，由于接头机械性能远低于标准值，当有效面积上的应力值大于材料的强度极限时突然失稳，发生瞬间脆性断裂。

气泡、局部组织疏松等铸造缺陷也是该接头断裂的原因之一。铸件在凝固时，溶于液态金属中的气体常会被释放出来，这是因为它们在液态金属中的溶解度比在固态金属中高的缘故。一般说来，大部分析出的气体在开始凝固后均可从熔融金属中逸出。然而一些单个气泡也可能被向内生长的凝固金属包围。铸造的零件具有狭窄的横截面时，气体就可能释放不出来，而使零部件性能因存在这些气泡而被削弱了，这会影响零部件的机械性能，载荷过大时就会导致零部件断裂。

低应力脆断是由于材料本身的质量及热处理不当，导致接头强度低、塑韧性及冲击抗力差造成的。应对钢的冶金质量提出较严的要求，应采用气体含量低的纯净钢；在接头热处理工艺方面应采用调质处理方法，使接头受力严重的部位获得细小、均匀的回火索氏体组织，从而得到较高的强韧性尤其是断裂韧性；接头的表面加工质量方面，应避免如圆角半径小、表面粗糙度大和粗加工刀痕，否则都会促使低应力脆断的发生。

通常ZG20Cr13钢铸件经1 050℃淬火后再750℃回火处理可获得索氏体和铁素体组织。这种调质组织有很好的综合力学性能和耐蚀性。而本文中断裂接头的金相组织为球状珠光体、铁素体及少量片状珠光体，碳化物沿晶界呈链状连续分布，组织不均匀且组织粗大。其金相组织为非正常调质组织，该快速接头调质处理不彻底，降低了调质钢的综合力学性能。另外气泡、裂纹等铸造缺陷分割了基体，严重降低了基体的连接强度，这些都是造成铸件断裂的主要原因。

4 结论

（1）综合以上分析，焦炭塔水马达快速接头的断裂属于拉应力作用下的脆性断裂。

（2）断裂的水马达快速接头铸造质量差、调质处理不彻底是造成机械性能不足引起快速接头断裂的主要原因，长期处于拉压、扭转的交变载荷作用时造成水马达快速接头开裂。

（3）断裂接头存在铸造缺陷是引起快速接头断裂的次要原因。断裂接头存在气孔、裂纹等冶金缺陷和疏松区域，气泡等铸造缺陷分割了基体，严重降低了基体的连接强度，接头局部承载能力偏低，不能满足接头在焦炭塔水马达及钻杆整体结构中的作用。

（4）对于该装置两个焦炭塔水马达快速接头，要求供货厂家必须保证其出厂产品质量，按标准要求严格执行铸造及热处理工艺。

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1671-0711（2016）10（上）-0044-02