净化装置高速泵叶轮失效原因分析

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(1.中国石油天然气股份有限公司锦西石化分公司，辽宁 葫芦岛 125001;2.沈阳中科韦尔腐蚀控制技术有限公司，辽宁 沈阳 110000)

净化装置高速泵叶轮失效原因分析

荆军航1,张艳1,郭历伟1,呼立红2

(1.中国石油天然气股份有限公司锦西石化分公司，辽宁 葫芦岛 125001;2.沈阳中科韦尔腐蚀控制技术有限公司，辽宁 沈阳 110000)

针对铸态304不锈钢材质叶轮服役期不超过6个月即发生断裂失效现象，采用叶轮化学成分分析、宏观分析或低倍显微镜观察、金相分析及断口电镜分析等手段进行失效分析。结果表明：叶轮断裂失效的主要原因是泵内介质(主要是H2S)产生冲刷腐蚀，导致局部壁厚减薄形成应力集中；由于交变应力的作用，应力集中处产生疲劳裂纹，逐渐扩展，直至疲劳断裂。

高速泵H2S冲刷腐蚀腐蚀疲劳

1 装置运行条件及腐蚀情况

320 kt/a净化装置采用单塔加压汽提、侧线抽氨的方法处理含H2S和氨的污水，对延迟焦化、加氢和催化裂化装置来的含H2S和氨的污水进行汽提，产生H2S和氨，最后剩余净化水。净化水质量满足要求后送入污水处理场继续处理。高速泵P04/A是装置的重要设备之一，为单级卧式悬臂泵，型号ZHYⅢ25-315，功率30 kW，额定电流57 A。工作介质是液氨、气氨和H2S的混合物；工作温度-5 ℃(由于该泵叶轮转速高，工作温度会升高)，用于氨精制塔内液氨循环，降低塔内温度。

2016年8月10日，高速泵P04/A因超电流停止运行，停机时电流为61 A,服役时间不到半年。泵叶轮材质为铸态304不锈钢，泵内介质是液氨和气氨等混合物，启动后搅动液氨发热汽化，容易抽空，易发生气蚀。如果泵抽空时，振动幅度偏大，需要氨精制塔提高压力，保持塔内液面，精心调节出口阀开度，才能顺利开启，出口压力频繁波动。该泵自投用以来，因工作条件较为苛刻，易发生气蚀及H2S腐蚀，故障率较高。

该泵检修过程中发现泵壳、叶轮表面冲刷严重，可见明显冲刷迹象(见图1和图2)，叶轮表面可见三处明显裂纹，其中最长约8 cm，壳体多处可见大小不一裂纹(见图3)，壳体内表面、叶轮表面颜色不均，异常闪亮的白色斑点布满整个叶轮表面和壳体内表面(见图4)。

图1 叶轮前盖板冲刷腐蚀形貌

图2 泵壳内壁宏观形貌

图3 叶轮表面裂纹

图4 壳体内表面大量白色斑点

2 叶轮失效分析

2.1化学成分分析

在叶轮上取块状试样，依据GB/T 23942—2009《化学试剂 电感耦合等离子体原子发射光谱法通则》,使用光谱仪对其材质进行成分分析,分析结果见表1。结果表明叶轮材质为304不锈钢。

表1 叶轮化学成分 w，%

2.2宏观分析及低倍显微镜观察

高速泵P04/A由前、后盖板和三个流道(叶片)构成，为闭式叶轮。叶轮前盖板完好，未见有裂纹存在；前盖板表面呈现出金属光泽，可以清晰地看到铸态叶轮结晶取向(见图5)。

图5 叶轮前盖板宏观形貌

叶轮后盖板发生了严重破损，其主要失效形式为开裂和蚀坑，也呈现金属光泽，清晰地看到铸态叶轮结晶取向(见图6)。

图6 叶轮后盖板宏观形貌及破损状态

在叶轮流道出口端有多条裂纹产生，裂纹走向主要是向叶轮后盖板的外壁延伸扩展，叶轮流道出口部位宏观形貌及破损状态见图7。

图7 叶轮流道出口部位腐蚀形貌

将叶轮后盖板上的开裂部位切割下来得到断口，观察叶轮后盖板开裂状况及其断口形貌见图8。从图8可以看出,在叶轮后盖板断口(裂纹)处没有明显塑性变形，在断口紧邻部位叶轮后盖板内、外壁上，还有众多与断口(裂纹)基本平行的裂纹存在。断口实际是众多裂纹中扩展最深最快的一条或汇合在一起的多条裂纹。这些裂纹集中起源于叶轮后盖板内、外壁与流道之间呈直角的连接部位，该部位因叶轮后盖板内壁严重减薄，直接导致叶轮后盖板严重减薄和强度降低。

图8 后盖板外壁裂纹宏观形貌

叶轮只有三个流道，流体进入叶轮到离开，几乎旋转了360°，流体在流道中的高速流动，势必对叶轮流道产生强烈冲击。同时，工作介质对叶轮金属产生腐蚀，使得叶轮表面呈现金属光泽、产生孔洞及粗糙表面，并造成叶轮后盖板局部严重减薄，直至疲劳开裂。

2.3金相分析

在叶轮上截取金相试样，经预磨、抛光和腐刻后，在显微镜下观察分析。叶轮后盖板金相组织为铸态奥氏体加少量铁素体，其内、外壁上有很多与断口平行的裂纹，这些裂纹前端较为圆钝，具备疲劳断裂的特征(见图9)。

2.4扫描电镜(SEM)与能谱分析(EDX)

选取叶轮断口上有明显疲劳特征部分，使用扫描电镜，对叶轮断口进行分析。

在叶轮断口的源区、扩展区和最后断裂区，因泵内介质的腐蚀作用，其疲劳断裂的一些精细结构已经观察不到，但在放大倍率较低时，仍可看到疲劳断裂的痕迹，对图10方框区进行EDX，结果见表1。

图9 断口处截面金相组织及裂纹形貌

图10 断口裂纹源区SEM形貌

表1 EDX结果

3 分析与讨论

叶轮材质为铸态304不锈钢，在液氨、气氨和H2S构成的混合物介质中，其表面的钝化膜很快被破坏掉[1]，导致其耐蚀性下降，被不断地腐蚀减薄，从叶轮表面呈现金属结晶颗粒及粗糙程度可以得到证实。

叶轮高速旋转，泵内流体介质会对叶轮，尤其是叶轮流道产生强烈冲刷。当叶轮表面的钝化膜被介质腐蚀破坏后，流体冲刷会更加显著。冲刷腐蚀会导致叶轮上局部区域壁厚减薄，在流道与后盖板内壁的交角处附近，叶轮后盖板严重减薄，壁厚严重减薄又会引起该处强度降低。

叶轮高速旋转会产生离心力和振动，有抽空现象发生时，叶轮振动会更大，如果振动频率与叶轮自身固有频率重合，就会引起共振，对叶轮造成疲劳破坏。疲劳破坏首先会发生在叶轮最薄弱和应力集中处，因此，在叶轮后盖板壁厚减薄处和流道出口与后盖板交角处[2-3]最先产生疲劳裂纹而开裂，并由此向叶轮的其他部位延伸扩展，直至造成疲劳开裂。

流体介质汽化也造成了叶轮部分区域的空蚀，导致叶轮强度降低和局部应力集中，加速叶轮失效。

叶轮自身结构特征，即三个流道对叶轮运行时产生振动也有一定影响，需要加以考虑[4]。

综上所述，介质冲刷腐蚀和腐蚀疲劳是导致叶轮开裂失效的主要原因。

4 结论与建议

(1)叶轮材质为304不锈钢，叶轮金相组织为铸态奥氏体+少量铁素体。

(2)叶轮工作时泵内介质(主要是H2S)对叶轮流道与后盖板内壁交角处附近的冲刷腐蚀，导致该部位叶轮后盖板壁厚严重减薄、强度降低、应力集中；同时，在叶轮工作时，因振动产生交变应力作用，在叶轮这些强度低及应力集中处产生疲劳裂纹，然后逐渐扩展，直至造成叶轮疲劳断裂。

(3)叶轮材质为304不锈钢，已经满足不了高速泵在目前环境介质中的使用要求，需要对泵体及叶轮材料进行升级。可以考虑选用抗H2S腐蚀性能更好的双相不锈钢。

(4)叶轮工作时产生振动(交变载荷)，与叶轮转速、流体介质状况以及叶轮本身的结构等因素有关。应从安装角度、泵的设计和工艺操作等方面严格控制以减少振动发生，从而抑制疲劳现象发生。

[1] 刘烈炜，胡倩，郭讽，等．硫化氢对不锈钢在酸性体系中腐蚀行为的影响的研究[J].腐蚀与防护，2002，23(1)：10．

[2] 郑军，杨昌明，朱利，等.离心泵叶轮流固耦合分析[J].流体机械，2013，41(2)：25 ．

[3] 唐立新，赖喜德，周建强，等.某叶片式离心泵的叶轮部件结构静力学分析[J].西华大学学报(自然科学版)，2008，27(3)：11．

[4] 冯永利.三流道叶轮引起离心泵振动的故障分析[J].化学工程与装备，2011(4)：95．

(编辑 寇岱清)

FailureAnalysisofHighSpeedPumpImpellerinPurificationDevice

JingJunhang1,ZhangYan1,GuoLiwei1,HuLihong2
(1.CNPCJinxiPetrochemicalCompany,Huludao125001,China;2.ShenyangZKwellCorrosionControlTechnologyCo.,Ltd.,Shenyang110000,China)

In order to investigate the problem that early failure of cast-304 stainless steel impeller occurred within 6 months, methods were utilized of impeller chemical composition analysis, macroscopic analysis, low power microscope observation, metallographic analysis, fracture analysis and electron microscope analysis of corrosion pit. The results showed that erosion caused by the medium in pump (mainly hydrogen sulfide), which could result in stress concentration, was the main reason for the fracture failure; at the same time, due to the action of alternating stress, fatigue cracks occurred at the position of stress concentration and then gradually expanded until fatigue fracture at early stage appeared.

high speed pump, hydrogen sulfide, erosion, corrosion fatigue

2017-02-16；修改稿收到日期：2017-06-15。

荆军航(1967—)，博士，教授级高级工程师，1995年毕业于大连理工大学，现在该公司研究院从事管理工作。E-mail:zyzyzy163@163.com