硫酸泵断轴案例分析

硫酸泵断轴原因分析及对策

作者:黎龙贵 文章来源:PROCESS《流程工业》 点击数:23 发布时间:2019-08-05
硫酸泵运行中断轴将影响装置安稳运行,频繁检修则威胁员工职业安全。本文对泵轴失效进行了介质分析和流通部位金属材料分析,并结合分析给出了相应的对策,从而有效地解决断轴问题。
硫酸泵断轴案例分析

化工企业装置的硫酸泵因其工艺特殊,介质具有强腐蚀性,因此采用德国某公司生产的泵进行生产。但在使用过程中,多次发生轴及叶轮键腐蚀及断裂的状况,需紧急停车更换备泵,这种情况严重影响了装置的安稳运行并增加了检修的工作量和风险。该泵运行的介质为68% H2SO4+3% HNO3+0.38%硝基苯+29.9% H2O,具有极强的腐蚀性,详细参数如表1所示。

图1一期硫酸泵液力端剖面图
图1一期硫酸泵液力端剖面图

生产设备中悬臂式离心泵共4台,于2017年底大修更换安装使用。一期装置2台泵采用填料密封,主叶轮背后设置1副叶轮阻止介质泄漏(如图1)。二期2台泵采用机械密封,取消副叶轮。

图2损坏轴与完好轴对比
图2损坏轴与完好轴对比

3次轴损坏情况分别为2018年10月一期运行的1#硫酸泵流量压力掉零,拆开发现叶轮锁紧帽部位断裂;2018年12月对一期2#泵进行预防性检修发现,该泵叶轮锁紧帽部位腐蚀;2019年2月,二期1#泵(机械密封泵,于2018年从1#拆下更换机械密封后安装至2#位置)流量压力掉零,拆开发现叶轮锁紧帽部位断裂。

图3 静密封垫变形
图3 静密封垫变形

图2和图3为2018年1月安装的新泵,于10月故障时拆解时的状况。从图2损坏轴与完好轴对比可以看出,轴在叶轮锁紧帽部位发生断裂,键槽部位腐蚀,各密封垫变形。其它两次拆解的状况均与此类似。

表1泵运行介质参数

损坏原因分析

从拆解来看,是介质对轴造成了腐蚀,最终让轴头螺纹断裂。现在对各因素进行具体分析。

图4 硫酸对碳钢腐蚀影响
图4 硫酸对碳钢腐蚀影响

介质分析

硫酸是重要的工业原料,同时也是腐蚀性最强的介质之一,它和所有强酸一样,酸液中有大量氢离子,是有效的阴极去极极化剂。多数工业金属和合金的电极电位低于氢电极电位,当它们遇到硫酸溶液时会快速溶解。但稀硫酸和浓硫酸的腐蚀性,又有很大的差别,稀硫酸一般只具有酸性,而浓硫酸不仅具有酸性,还是强氧化剂,所以浓硫酸不仅有氢去极化作用,也有氧去极化作用,这就造成了一些不耐稀硫酸、但易于钝化的金属和合金在浓硫酸中产生保护膜,因而具有耐浓硫酸的能力。而一旦硫酸被稀释到68%以下时,碳钢和铸铁的设备就会受到严重的腐蚀。

另外,在硫酸溶液中,温度和流速增高都会使稀酸和浓酸的腐蚀加剧。在浓硫酸中生成的钝化膜在高温和高流速下将受到破坏。从图4中可以得出70%的硫酸溶液在30℃时对碳钢材料静态腐蚀率在0.5 mm/a,而在100℃时却达到了5 mm/a。本公司使用的硫酸泵运行的介质是68%的硫酸,温度100℃,处于流动状态,极具腐蚀性。曾经发生过误将20#碳钢丝堵当做20#合金钢安装使用,运行2天后发生泄漏的事故。

硝酸是一种强氧化性酸为无色透明液体,当浓度达到68%以上时易挥发形成酸雾。一般我们将浓度低于32%(6 mol/L)的硝酸称为稀硝酸。相关资料表明常温下浓硝酸能使铁钝化,当硝酸越稀,其表现强酸性,即使很稀的硝酸也能与铁发生化学反应。3.073%(0.495 mol/L)浓度的硝酸属于很稀硝酸,可能对碳钢材料存在腐蚀。

图5腐蚀掉的副叶轮
图5腐蚀掉的副叶轮

流通部位金属材料分析

叶轮、副叶轮等与介质接触的零件材料R30.20为某公司的铸造件,具有良好的抗腐蚀能力,但从使用来看其耐腐蚀性能一般,图5为运行10个月的副叶轮腐蚀状况。从拆出的泵壳体流通部分看,有蜂窝状腐蚀凹坑。该装置上也多次出现PT合格的泵盖板在使用一段时间后出现渗酸的情况。

轴、键材料为45#钢(德国DIN标准材料钢号1.0503),为常用的中碳钢,具有较高的强度和较好的切削加工性,调质处理后零件具有良好的综合机械性能,广泛应用于各种重要的结构零件,通常用于连杆、螺栓、齿轮及轴类,但缺点是表面硬度低、不耐磨,该碳钢经过调质+表面淬火来提高零件的表面硬度。图4中的研究数据表明,不论在什么温度下小于65%的硫酸中,碳素钢均不能使用。同时,在温度65℃以上时,不论硫酸浓度多大,碳素钢一般也不能使用。

轴头叶轮锁紧帽(2.4610)为Hastelloy C4系列,基本成份00Cr16Mo16Ni65Ti,对应中国牌号NS335。哈氏合金是一种镍基耐腐蚀合金,主要成分为镍铬合金与镍铬钼合金两大类,其具有良好的抗腐蚀性和热稳定性。

图6不同温度条件下的垫片变形率
图6不同温度条件下的垫片变形率

图7 不同温度条件下的垫片抗压强度
图7 不同温度条件下的垫片抗压强度

静密封材料为膨体四氟乙烯(ePTFE)。膨体聚四氟乙烯具天然的化学惰性、防水性、热稳定性和较高的机械强度,甚至暴露于腐蚀性化学品、摩擦、高稳或极低温度时亦可有效密封,广泛应用于工业酸碱管道密封。但聚四氟乙烯存在冷流蠕变的特性,即材料制品在长时间连续载荷作用下发生塑性变形。另外其线膨胀系数为钢的10~20倍,其线膨胀系数随着温度的变化而发生不规律的变化。图6和7为GORE公司改良性ePTFE垫片与其它ePTFE垫片性能测试比较。随着温度增加垫片抗压强度越低、变形越大,这意味着不能保持更大的螺栓压紧力,使其在一定的螺栓力下,垫片会变形挤入空间或管道,造成法兰面密封不严。

轴用材料

综合分析

在结合介质和流通部分零件材料分析中,硫酸泵运行的介质具有强腐蚀性,而硫酸泵选用的轴用材料45#钢轴不耐介质腐蚀。理论情况下,聚四氟乙烯垫片密封隔离,保护了轴不会接触介质而腐蚀。但因为密封失效,导致酸性介质渗入腐蚀键和轴,从而键传动失效或轴头螺纹断裂。

图8 叶轮键槽部位密封宽
图8 叶轮键槽部位密封宽

图9 改造示意图
图9 改造示意图

叶轮与叶轮锁紧螺母之间垫片尺寸为D60/45*0.8,密封宽度为7.5 mm,但是叶轮上受键槽切削影响,密封宽度最窄部位为2.5 mm(理论值),且该部位存在键槽空洞。受其影响的四氟垫片在螺栓紧固力矩紧力(380 NM)作用下和温度升高影响下,发生冷流蠕变,最窄部位的垫片变形流入键槽,造成键槽部位密封面密封不严。叶轮与副叶轮之间的垫片也是这种情况,叶轮背后虽然有效密封宽度5 mm,但是副叶轮的键槽存在,有效密封宽度只有4.1 mm。叶轮和副叶轮存在键槽以及叶轮与副叶轮孔径差,都为该垫片留了充裕的冷流空间,最后被挤压的垫片如图3所示。

改进对策

密封性能改进

图10 耐硫酸材料选用图
图10 耐硫酸材料选用图

静密封失效是本次故障的原因所在。叶轮锁紧帽部位因为键槽的存在,导致最窄有效密封宽度在2.0~2.5 mm之间,在垫片变形的情况下十分容易泄漏。如果在叶轮加工时键槽不铣通,则有效密封宽度为7.5 mm,完全可以达到密封效果。叶轮与副叶轮之间的密封垫虽然有效密封宽度有4.1 mm,但使用效果不好,且面临前后2个键槽不能像叶轮一样将键槽封住。考虑到聚四氟材料冷流的特点,对副叶轮轮毂车宽度2 mm、深度1 mm的垫片槽,安装线径宽度2 mm、厚度1.5 mm的聚四氟乙烯垫片与前叶轮配合安装,能解决后部垫片泄漏问题,如图9所示。

轴和键不耐腐蚀,是本次故障的核心问题所在,如果轴耐腐蚀就不存在断轴和问题。要提高轴的耐酸腐蚀性,则要从材质上改进。图10为相关资料上显示的耐硫酸材料选用图,对比图中位置,适合100℃、68%浓度硫酸材料位于区域5。而区域5中能选用的(除铸造件外)金属材料只有20#合金钢。我们对比另外一台苏尔寿厂生产硫酸泵,发现其壳体和轴套为20#合金钢,轴用材料却选择XM-19。查询资料发现20#合金钢机械性能较45#钢偏低,尤其是屈服强度不高,难以达到本台硫酸泵用轴所需刚度,存在轴弯曲的风险,2.4610材料也存在同样的情况。

据相关文献介绍,XM-19/S20910/Nirtonic50为同一种材料00Cr22Ni13Mn5Mo2N,属于氮强化奧氏体不锈钢,其抗腐蚀性能优于316、616L、317和317L,且室温下屈服强度几乎是它们的2倍。该钢在高温和低温下都有良好的机械性能,其最低抗拉强度为690 MPa,经热轧后屈服强度可达到515 MPa(50.8~76.2 mm轴径),是优良的泵轴用材。几种轴用材料机械性能对比见表2。

根据类比原则,选用XM-19作为耐酸腐蚀的泵轴及键用材合适之选。

结语

硫酸泵的过流件材料特殊且为铸造件,叶轮键槽填堵不能通过焊接完成,因此需重新铸造。轴用材料发生改变时需要重新加工制造,设备制造方德国FRIATEC公司进行以上改进工作,制造后发货更换。到目前为止,零件依然在德国加工中。

本次硫酸泵断轴,既有选材原因,又有设计不当的因素。键槽的存在一方面消减了有效密封宽度,另一方面让聚四氟乙烯材料的垫片有冷流蠕变的方向,从而造成密封失效泄漏。而聚四氟乙烯是绝佳的密封材料,只要充分利用其无冷流变形的特性,就会获得良好的密封性能。

45#钢作为泵轴选材是基于经济性的考虑,但在安全和性能都达不到使用要求的情况下,考虑经济性是无意义的。本次是基于密封和轴用材料双方面的改进,有效杜绝了改进后硫酸泵的断轴问题。