滕健
中国石油乌鲁木齐石化公司炼油厂加氢车间 新疆乌鲁木齐 830019
摘要：随着工业现代化水平的不断提升，炼油行业也开始面临复杂的社会竞争环境与行业管制标准要求。不但需要遵从严格的法律法规，还需要遵从燃料标准并受到国际油价的影响。为了进一步提升企业综合竞争力，柴油加氢精制装置的高能耗问题必须得到妥善解决。柴油加氢精制装置作为炼油企业能源消耗较高的装置类型，其同时也是实现成本优化的关键。
关键词:裂解柴油加氢装置;高压进料泵;断轴;结构设计
引言：泵作为化工生产中一种必不可少的关键设备，其运行的好坏直接关系到整个生产的稳定和经济效益的提高。断轴等设备故障不仅造成设备损坏，甚至导致装置停运等其他经济损失及次生事故，威胁人身和设备安全。
1能耗结构分析
对企业柴油加氢精制装置的能耗情况进行结构分析。首先是装置能源消耗。根据相关调查研究的结果，国家对于柴油装置具有明确的能耗标准要求，该企业的柴油加氢精制装置能耗为628MJ/t，达不到国家技术标准，所以必须要实施技能技术改造。根据相关能耗分析的结果来看，生产过程中燃料气的消耗占比较高，主要的能源来自于加氢反应消耗的热量，通过加氢反应的热量来实施负荷调整与热量控制，从而达到换热优化与低温热量调整的目标。在该项目当中，反应炉的开工负荷较高，日常运行的负荷则普遍偏低，经常出现不完全燃烧的情况，所以需要解决反应炉热效率不足的问题；电能消耗方面，该项目柴油加氢精制装置主要采用了泵、空冷设备与压缩机等能耗设备，这些设备日常使用过程中，用电最高的是非变频的泵与空冷机，这些设备前期投资较高，同时没有添加变频控制装置，所以负荷较低的情况下能源浪费严重，有较大的节能降耗改造空间；蒸汽消耗控制主要采用循环压缩机技能改造来实现，循环氢压缩机目前采用机组驱动能源，为了满足蒸汽消耗的控制要求，采用设计优化的模式，解决能耗结构不合理的问题。
2失效原因分析
2.1检验分析
2.1.1断口的宏观及低倍观察
泵轴断裂处的轴径为32mm，为润滑油密封处;泵轴断裂为一短一长的两个部分，分别标记为A和B，断轴处存在明显的磨损痕迹。由于泵轴A断口相对保护较好，未受到严重的磕碰和发生二次锈蚀，故检验分析侧重于泵轴A断口。裂纹源在泵轴断口的一侧表面，裂纹由泵轴表面向内扩展。裂纹扩展区的断口平坦，没有明显的塑性变形，断口上有“贝纹状”的疲劳弧线，其大小约占整个断口的2/3;最后断裂区(即瞬断区)较为粗糙，其大小约占整个断口的1/3;仅在泵轴边缘处有小的剪切唇。
3.1.2泵轴的材质分析
在断裂的泵轴上取样，依据相关标准，使用光谱仪等仪器对其材质进行分析，结果表明:泵轴材质为20CrMnTi钢，与出厂资料要求的泵轴材质为42CrMo钢不符。
3.1.3泵轴的金相分析
在泵轴A断口附近处，横向切取金相样品，经预磨、抛光、腐刻后，在显微镜下观察分析。使用显微硬度计，对泵轴进行硬度测试。整个泵轴截面的金相组织均匀，为回火马氏体+贝氏体+少量块状铁素体，经测量泵轴硬度为322．5HV。
3.1.4泵轴断口电镜及能谱分析
使用扫描电镜(SEM)，对泵轴A断口进行微观形貌观察和能谱分析(EDS)。裂纹起源于泵轴表面处，向内扩展，在裂纹扩展区断口平坦，有明显的裂纹扩展方向。能谱分析表明，泵轴断口没有受到腐蚀性元素的影响，元素构成为Fe，Cr及少量的O。在泵轴断口的瞬断区，有大量的的韧窝存在(。由此可见，泵轴断裂原因是机械疲劳断裂。
3.2结构设计及运行情况
3.2.1结构设计存在的缺陷
该泵为单级、单吸、悬臂、齿轮箱增速、油泵强迫润滑和卧式结构的高速离心泵。主要由泵过流部件、机械密封、增速箱、润滑系统和电机等组成。进料泵运行是由电机带动增速器，增速器再驱动泵轴而完成的。高速轴采用单齿轮悬臂轴，靠近电机侧平衡盘两边各安装一套径向止推轴承，增速齿轮两边安装两套滑动轴承，诱导轮、叶轮安装在远离电机侧轴端，悬臂设计。轴的径向支撑点离轴受力点———叶轮及诱导轮安装端较远，因而当该轴受到较大的径向力时，应力集中部位易发生断裂。另一方面，低速轴通过大齿轮与高速轴小齿轮啮合，实现由2980r/min到15800r/min的增速，驱动叶轮高速旋转，导致高速轴扭转力矩增大。扭转力与径向力叠加导致高速轴断轴风险加大。运行初期两台泵频繁出现叶轮及诱导轮磨损、泵轴变形的问题，频繁更换泵轴、叶轮及诱导轮。其主要原因是设计结构缺陷，悬臂、高速及安装叶轮部位轴的强度、刚性不足，原叶轮、诱导轮采用304钢质量相对较大，遇到运行负荷偶尔波动，转子偏心运转与壳体发生摩擦碰撞，且泵轴出现弯曲变形，导致泵轴、叶轮、诱导轮等配件频繁损坏。为解决问题，厂家将叶轮、诱导轮更换为质量较轻的钛合金材料，运行状况稍微好转。为确保长周期安全运行，又采购一台国内普遍采用的串连多级高速泵，作为备用设备。
3.2.2运行工况分析
介质为裂解柴油，操作温度不高，无结焦、结垢倾向。含一定量的腐蚀介质硫，可能因介质腐蚀引发泵轴断裂，但轴断裂部位为非介质接触部位，与介质腐蚀无关。运行期间检测参数正常。
3.3高速轴制造质量缺陷
一般情况下，泵高速轴断裂部位为应力集中的变径点或螺纹部位，而此次在非应力集中部位断裂，与轴锻造后加工质量存在缺陷(诸如加工过程中出现的表面环向划痕)等因素有关。断轴部位有环向摩擦痕迹，是出现断轴的诱发因素。
3.5设备疲劳损伤
高速泵在运转过程中，因受到外部负荷、内部应力以及磨蚀等诸多因素的影响，设备各部件相互配合尺寸、力学性能均有可能发生不同程度的变化。泵构件长期承受交变应力作用，会在远低于材料的抗拉强度甚至低于屈服强度的情况下，发生机械的疲劳损伤，直至出现断裂。3.
6分析与讨论
前面对于失效泵轴进行了多项分析，确认泵轴的断裂性质为疲劳断裂。当进料泵高速运行时，泵轴承受着很大的交变载荷。在泵轴上的局部区域，可能由于某种原因产生应力集中，当这些区域承受的应力高于泵轴材料自身的疲劳强度后，就会在泵轴表面萌生出疲劳微裂纹。一旦泵轴表面有疲劳微裂纹产生，在交变载荷的作用下，就会很快地发展成疲劳裂纹，进而不断扩展。
当疲劳裂纹扩展至一定的程度后，即泵轴剩余截面不足以承受外部载荷时，就会发生快速破断，即瞬间断裂，这时，整个泵轴完全断裂失效。该泵轴断裂部位在润滑油密封处，表面有着明显的摩擦痕迹，这应该是泵轴和润滑油密封的安装配合存在问题造成的，另一个原因是交变载荷导致径向跳动所致。由于泵轴断口的最后瞬断区面积较大，大约占整个断口大小的1/3，这表明泵轴承受的载荷较大或者是泵轴的材料较脆。载荷大是泵轴断裂的外部因素，而材质脆则是泵轴断裂的内部因素。暂且抛开泵轴断裂的外部因素，就泵轴断裂的内部因素进行讨论。泵轴材料原始设计为42CrMo钢，但对断裂泵轴的材质化学成分分析，确认泵轴材质为20CrMnTi钢(与20Cr钢相近)。42CrMo钢作为泵轴材料使用，通常为调质态(淬火+高温回火)，其金相组织为回火索氏体，其综合力学性能(强度、韧性和冲击功等)均高于淬火+低温回火态的20CrMnTi钢，也就是说20CrMnTi钢的综合力学性能不如42CrMo钢，尤其是脆性要大于42CrMo钢。
结束语：总之，在交变应力的作用下，一旦泵轴表面局部因轻微划伤等产生缺陷，将导致出现疲劳微裂纹，最终发展为疲劳裂纹。随着疲劳裂纹的不断扩展，导致泵轴有效承载面积的不断减小，当达到泵轴剩余承载面积的临界尺寸时，泵轴就会因断裂而失效。而且，许多类型加料泵的泵轴断裂失效均是由疲劳断裂引起的。
参考文献：
[1]董鹏飞,石磊.柴油加氢装置紧急泄压的模拟计算[J].炼油技术与工程,2019,49(11):55-59.