某化工企業裝置的硫酸泵因其工藝特殊，介質具有強腐蝕性，因此采用德國某公司生産的泵進行生産。但在使用過程中，多次發生軸及葉輪鍵腐蝕及斷裂的狀況，需緊急停車更換備泵，這種情況嚴重影響了裝置的安穩運行并增加了檢修的工作量和風險。該泵運行的介質為68% H2SO4 3% HNO3 0.38%硝基苯 29.9% H2O，具有極強的腐蝕性，詳細參數如表1所示。

圖1一期硫酸泵液力端剖面圖

生産設備中懸臂式離心泵共4台，于2017年底大修更換安裝使用。一期裝置2台泵采用填料密封，主葉輪背後設置1副葉輪阻止介質洩漏（如圖1）。二期2台泵采用機械密封，取消副葉輪。

圖2損壞軸與完好軸對比

3次軸損壞情況分别為2018年10月一期運行的1#硫酸泵流量壓力掉零，拆開發現葉輪鎖緊帽部位斷裂；2018年12月對一期2#泵進行預防性檢修發現，該泵葉輪鎖緊帽部位腐蝕；2019年2月，二期1#泵（機械密封泵，于2018年從1#拆下更換機械密封後安裝至2#位置）流量壓力掉零，拆開發現葉輪鎖緊帽部位斷裂。

圖3 靜密封墊變形

圖2和圖3為2018年1月安裝的新泵，于10月故障時拆解時的狀況。從圖2損壞軸與完好軸對比可以看出，軸在葉輪鎖緊帽部位發生斷裂，鍵槽部位腐蝕，各密封墊變形。其它兩次拆解的狀況均與此類似。

損壞原因分析

從拆解來看，是介質對軸造成了腐蝕，最終讓軸頭螺紋斷裂。現在對各因素進行具體分析。

圖4 硫酸對碳鋼腐蝕影響

介質分析

硫酸是重要的工業原料，同時也是腐蝕性最強的介質之一，它和所有強酸一樣，酸液中有大量氫離子，是有效的陰極去極極化劑。多數工業金屬和合金的電極電位低于氫電極電位，當它們遇到硫酸溶液時會快速溶解。但稀硫酸和濃硫酸的腐蝕性，又有很大的差别，稀硫酸一般隻具有酸性，而濃硫酸不僅具有酸性，還是強氧化劑，所以濃硫酸不僅有氫去極化作用，也有氧去極化作用，這就造成了一些不耐稀硫酸、但易于鈍化的金屬和合金在濃硫酸中産生保護膜，因而具有耐濃硫酸的能力。而一旦硫酸被稀釋到68%以下時，碳鋼和鑄鐵的設備就會受到嚴重的腐蝕。

另外，在硫酸溶液中，溫度和流速增高都會使稀酸和濃酸的腐蝕加劇。在濃硫酸中生成的鈍化膜在高溫和高流速下将受到破壞。從圖4中可以得出70%的硫酸溶液在30℃時對碳鋼材料靜态腐蝕率在0.5 mm/a，而在100℃時卻達到了5 mm/a。本公司使用的硫酸泵運行的介質是68%的硫酸，溫度100℃，處于流動狀态，極具腐蝕性。曾經發生過誤将20#碳鋼絲堵當做20#合金鋼安裝使用，運行2天後發生洩漏的事故。

硝酸是一種強氧化性酸為無色透明液體，當濃度達到68%以上時易揮發形成酸霧。一般我們将濃度低于32%（6 mol/L）的硝酸稱為稀硝酸。相關資料表明常溫下濃硝酸能使鐵鈍化，當硝酸越稀，其表現強酸性，即使很稀的硝酸也能與鐵發生化學反應。3.073%(0.495 mol/L)濃度的硝酸屬于很稀硝酸，可能對碳鋼材料存在腐蝕。

圖5腐蝕掉的副葉輪

流通部位金屬材料分析

葉輪、副葉輪等與介質接觸的零件材料R30.20為某公司的鑄造件，具有良好的抗腐蝕能力，但從使用來看其耐腐蝕性能一般，圖5為運行10個月的副葉輪腐蝕狀況。從拆出的泵殼體流通部分看，有蜂窩狀腐蝕凹坑。該裝置上也多次出現PT合格的泵蓋闆在使用一段時間後出現滲酸的情況。

軸、鍵材料為45#鋼（德國DIN标準材料鋼号1.0503），為常用的中碳鋼，具有較高的強度和較好的切削加工性，調質處理後零件具有良好的綜合機械性能，廣泛應用于各種重要的結構零件，通常用于連杆、螺栓、齒輪及軸類，但缺點是表面硬度低、不耐磨，該碳鋼經過調質 表面淬火來提高零件的表面硬度。圖4中的研究數據表明，不論在什麼溫度下小于65%的硫酸中，碳素鋼均不能使用。同時，在溫度65℃以上時，不論硫酸濃度多大，碳素鋼一般也不能使用。

軸頭葉輪鎖緊帽（2.4610）為Hastelloy C4系列，基本成份00Cr16Mo16Ni65Ti，對應中國牌号NS335。哈氏合金是一種鎳基耐腐蝕合金，主要成分為鎳鉻合金與鎳鉻钼合金兩大類，其具有良好的抗腐蝕性和熱穩定性。

圖6不同溫度條件下的墊片變形率

圖7 不同溫度條件下的墊片抗壓強度

靜密封材料為膨體四氟乙烯（ePTFE）。膨體聚四氟乙烯具天然的化學惰性、防水性、熱穩定性和較高的機械強度，甚至暴露于腐蝕性化學品、摩擦、高穩或極低溫度時亦可有效密封，廣泛應用于工業酸堿管道密封。但聚四氟乙烯存在冷流蠕變的特性，即材料制品在長時間連續載荷作用下發生塑性變形。另外其線膨脹系數為鋼的10~20倍，其線膨脹系數随着溫度的變化而發生不規律的變化。圖6和7為GORE公司改良性ePTFE墊片與其它ePTFE墊片性能測試比較。随着溫度增加墊片抗壓強度越低、變形越大，這意味着不能保持更大的螺栓壓緊力，使其在一定的螺栓力下，墊片會變形擠入空間或管道，造成法蘭面密封不嚴。

綜合分析

在結合介質和流通部分零件材料分析中，硫酸泵運行的介質具有強腐蝕性，而硫酸泵選用的軸用材料45#鋼軸不耐介質腐蝕。理論情況下，聚四氟乙烯墊片密封隔離，保護了軸不會接觸介質而腐蝕。但因為密封失效，導緻酸性介質滲入腐蝕鍵和軸，從而鍵傳動失效或軸頭螺紋斷裂。

圖8 葉輪鍵槽部位密封寬

圖9 改造示意圖

葉輪與葉輪鎖緊螺母之間墊片尺寸為D60/45*0.8,密封寬度為7.5 mm，但是葉輪上受鍵槽切削影響，密封寬度最窄部位為2.5 mm(理論值)，且該部位存在鍵槽空洞。受其影響的四氟墊片在螺栓緊固力矩緊力（380 NM）作用下和溫度升高影響下，發生冷流蠕變，最窄部位的墊片變形流入鍵槽，造成鍵槽部位密封面密封不嚴。葉輪與副葉輪之間的墊片也是這種情況，葉輪背後雖然有效密封寬度5 mm，但是副葉輪的鍵槽存在，有效密封寬度隻有4.1 mm。葉輪和副葉輪存在鍵槽以及葉輪與副葉輪孔徑差，都為該墊片留了充裕的冷流空間，最後被擠壓的墊片如圖3所示。

改進對策

密封性能改進

圖10 耐硫酸材料選用圖

靜密封失效是本次故障的原因所在。葉輪鎖緊帽部位因為鍵槽的存在，導緻最窄有效密封寬度在2.0~2.5 mm之間，在墊片變形的情況下十分容易洩漏。如果在葉輪加工時鍵槽不銑通，則有效密封寬度為7.5 mm，完全可以達到密封效果。葉輪與副葉輪之間的密封墊雖然有效密封寬度有4.1 mm，但使用效果不好，且面臨前後2個鍵槽不能像葉輪一樣将鍵槽封住。考慮到聚四氟材料冷流的特點，對副葉輪輪毂車寬度2 mm、深度1 mm的墊片槽，安裝線徑寬度2 mm、厚度1.5 mm的聚四氟乙烯墊片與前葉輪配合安裝，能解決後部墊片洩漏問題，如圖9所示。

軸和鍵不耐腐蝕，是本次故障的核心問題所在，如果軸耐腐蝕就不存在斷軸和問題。要提高軸的耐酸腐蝕性，則要從材質上改進。圖10為相關資料上顯示的耐硫酸材料選用圖，對比圖中位置，适合100℃、68%濃度硫酸材料位于區域5。而區域5中能選用的（除鑄造件外）金屬材料隻有20#合金鋼。我們對比另外一台蘇爾壽廠生産硫酸泵，發現其殼體和軸套為20#合金鋼，軸用材料卻選擇XM-19。查詢資料發現20#合金鋼機械性能較45#鋼偏低，尤其是屈服強度不高，難以達到本台硫酸泵用軸所需剛度，存在軸彎曲的風險，2.4610材料也存在同樣的情況。

據相關文獻介紹，XM-19/S20910/Nirtonic50為同一種材料00Cr22Ni13Mn5Mo2N，屬于氮強化奧氏體不鏽鋼，其抗腐蝕性能優于316、616L、317和317L，且室溫下屈服強度幾乎是它們的2倍。該鋼在高溫和低溫下都有良好的機械性能，其最低抗拉強度為690 MPa，經熱軋後屈服強度可達到515 MPa(50.8~76.2 mm軸徑)，是優良的泵軸用材。幾種軸用材料機械性能對比見表2。

根據類比原則，選用XM-19作為耐酸腐蝕的泵軸及鍵用材合适之選。

結語

硫酸泵的過流件材料特殊且為鑄造件，葉輪鍵槽填堵不能通過焊接完成，因此需重新鑄造。軸用材料發生改變時需要重新加工制造，設備制造方德國FRIATEC公司進行以上改進工作，制造後發貨更換。到目前為止，零件依然在德國加工中。

本次硫酸泵斷軸，既有選材原因，又有設計不當的因素。鍵槽的存在一方面消減了有效密封寬度，另一方面讓聚四氟乙烯材料的墊片有冷流蠕變的方向，從而造成密封失效洩漏。而聚四氟乙烯是絕佳的密封材料，隻要充分利用其無冷流變形的特性，就會獲得良好的密封性能。

45#鋼作為泵軸選材是基于經濟性的考慮，但在安全和性能都達不到使用要求的情況下，考慮經濟性是無意義的。本次是基于密封和軸用材料雙方面的改進，有效杜絕了改進後硫酸泵的斷軸問題。來源：流程工業，原文《硫酸泵斷軸原因分析及對策》

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