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硫酸泵内部腐蚀断轴原因分析
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化工企业装置的硫酸泵因其工艺特殊，介质具有强腐蚀性，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。 生产设备中悬臂式离心泵共4台。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。二期2台泵采用机械密封，取消副叶轮。 3次轴损坏情况分别为一期运行10个月的1#硫酸泵流量压力掉零，拆开发现叶轮锁紧帽部位断裂；12个月对一期2#泵进行预防性检修发现，该泵叶轮锁紧帽部位腐蚀；14个月，二期1#泵（机械密封泵，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。从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。其它两次拆解的状况均与此类似。 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。 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。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。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。 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，运行10个月的副叶轮存在明显腐蚀状况。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，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。相关研究数据表明，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。 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。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。 改进对策 防腐性能改进 钽是当今最耐腐蚀的金属，它对几乎所有有机和无机化合物都是惰性的。它的耐腐蚀性与玻璃非常相似，因为它们都不适合用于氢氟酸和强热碱应用。因此，钽通常与搪玻璃钢反应堆一起用作贴片，浸入管，管道和顶置式冷凝器。 钽在低于300°F的所有浓度下对硫酸和盐酸都是惰性的。高达400°F的温度影响不大，而钽通常在500°F以下的温度下使用。钽不受浓度高达98％的硝酸和温度至少212°F的硝酸的侵蚀。钽已经证明自己在许多应用中是完全惰性的。一些换热器装置在多产品研究环境中已连续使用40多年，而无需更换垫片。 钽是硫酸泵的最好选择。 艾因斯（北京）钽应用科技有限公司多年来致力于研制钽表面合金技术，通过将普通的设备表面制作出钽合金，赋予设备与纯钽制品相媲美的高性能。该技术的出现，完美解决了钽成本问题，使得钽的应用平民化、广泛化不再是梦。 我们的技术可以对镀层厚度进行精确调控，工件表面 1~200μm 之间的厚度都可以实现，制备出具有良好耐磨性和耐腐蚀性、无界面氧化层的 α 相体心立方晶体结构的钽金属沉积层，大大提高材料的使用寿命、改善材料的性能、节省材料的用量，而且还使钽的优异性能得到充分的发挥。 结语 钽是当今最耐腐蚀的金属，是硫酸泵基材的最好选择。但是纯钽的价格过高，应用纯钽锻造硫酸泵是不实际的方法。艾因斯的CVD/CVI钽涂层沉积技术，可以完美的解决硫酸泵的腐蚀问题，同时规避高投资难题。 |
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