HastelloyC276钢泵轴的断裂分析开题报告

毕业设计(论文)开题报告学生姓名：学号：所在学院：专业：设计(论文)题目：HastelloyC276钢泵轴的断裂分析指导教师：2015年3月8日毕业设计（论文）开题报告1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：文献综述泵轴是传递转矩的主要部件。以离心泵为例，离心泵具有性能范围广、流量均匀、结构简单、运转可靠和维修方便等诸多优点，因此在给排水生产中应用最为广泛，主要部件有吸入室、叶轮、蜗壳和泵轴。离心泵的轴径按强度、刚度及临界转速确定。中小型泵多采用水平轴，叶轮间距离用轴套定位。近代大型泵则采用阶梯轴，不等孔径的叶轮用热套法装在轴上，并利用渐开线花键代替过去的短键,使用此种方法，叶轮与轴之间没有间隙，不致使轴间窜水和冲刷，但拆装困难[1]。在石油化工生产过程中，泵是重要动力设备，泵轴作为泵的元件，其安全稳定运行是消除事故隐患和提高企业效益的保证，由于泵轴在服役过程中，转速很快，外加上设计、加工以及环境条件等因素，常发生泵轴的断裂事故，每次事故都会导致生产线的非计划停产，造成了很大的损失[2]，甚至还可能产生安全隐患。泵轴常见的断裂失效形式主要有疲劳断裂和腐蚀断裂，这些失效形式与泵轴的选材、受力与工作环境有关。泵轴的选材，除计算设计强度外，还应考虑热处理的尺寸效应，按截面尺寸与屈服强度选材；另外，还应考虑工况条件选用材料，并执行国家和国际标准或行业标准；否则，须研制新材料，新材料的研制因其生产量小、周期长、成本高，一般企业不具备这样的条件，很难被采用。如果必须使用这种材料，尤其是国外引进材料，最好是与科研院所或具备能力的钢厂合作，研究的结果必须有第三方或用户认可，并纳入企业标准，切莫乱用无标准的材料[3]。在实际生产中，还要考虑材料的经济性，应从工况环境、材料性能、材料及设备制造价格、设备操作工艺、维修、安全生产诸方面综合考虑，正确选择材料，以求获得最佳的经济效果[4]。由于泵轴用于传递动力，且高速旋转，在输送盐溶液等弱腐蚀性介质的泵中，泵轴材料一般用经过调质处理的40Cr低合金钢。在防腐蚀泵中，即用于输送酸、碱等强腐蚀性介质的泵上，泵轴材质一般为lCr18Ni9Ti等不锈钢[5]。在不同的工作环境下，泵轴上可能作用的载荷有以下几种：（1）径向力A.对卧式泵转子的重量是径向力；B.由于叶轮外周压力分布不均引起的水力径向力，由皮带拉力和齿轮啮合等传动装置引起的径向力；C.由叶轮、联轴器等转动部件残余不平衡质量引起的离心力（力的方向是变化的）。（2）轴向力；（3）扭矩。根据受力情况，泵轴的断裂形式可能为旋转弯曲疲劳断裂和扭转断裂两种情况[6]。因为泵的轴功率、径向力和泵的工况有关，所以，泵轴必要时应按设计工况和非设计工况（如零流量）分别进行计算[7]。泵轴加工不当也会导致提前失效，泵轴工艺退刀槽，加工圆角曲率半径过小,加工粗糙度大而引起的应力集中,是泵轴断裂的重要外部因素；泵轴材料的热处理不当，也会导致材料疲劳强度下降，使泵轴在交变载荷作用下发生了疲劳断裂[8]。对于不锈钢类材料，在加工零件前，可以将材料进行适当的固溶处理，使材料组织达到使用要求；另外，键槽与基体的过渡处应加工为圆角，减少应力集中[9]。适当进行消除应力退火也可提高不锈钢泵轴的使用寿命[10]。对泵轴而言，疲劳断裂是最为常见的一种失效形式。疲劳破坏发生在承受交变或波动的构件中，一般来说，其最大应力低于材料抗拉强度，甚至低于材料的屈服点，因此断裂往往是无明显塑性变形的低应力断裂[11]。疲劳断裂不同于静载断裂或一次冲击加载断裂，具有脆性及突发性特点，也就是没有显著的变形[12]。疲劳断裂过程的研究表明，疲劳寿命不是决定于裂纹产生，而是决定于裂纹增大和扩展。就疲劳而言，主要有以下两种类型:1)应力疲劳在低应力，高循环、低扩展速率的疲劳称为应力疲劳，也叫弹性疲劳。其特点是在应力循环条件下，裂纹在弹性区内扩展，且裂纹扩展速率低。2)应变疲劳在高应力，低循环，高扩展速率下的疲劳称为应变疲劳，也叫塑性疲劳。其特点是应变幅值很高，最大应变接近屈服硬币，故疲劳裂纹扩展速率高，寿命短[13]。疲劳断裂一般分为三个阶段，微裂纹产生、疲劳裂纹扩展和断裂:1)初始微裂纹产生，疲劳裂纹在应力最高，强度最低的部位上产生，焊接结构由于存在焊接残余应力，产生裂纹的时间短2)稳定扩展阶段，稳定扩展阶段是疲劳裂纹扩展时间，即认为是结构的使用寿命。每经过一次加载循环，疲劳裂纹尖端即经历一次锐化→钝化→再锐化过程，裂纹扩展一段距离，疲劳断口表面产生一条辉纹。该阶段裂纹扩展稳定，扩展速度较低，受温度影响较小。3)失稳扩展阶段，当裂纹尺寸足够大，结构有效受力截面小到不足以承受所加载荷时，即为断裂阶段。该阶段可为延性断裂，也可为脆性断裂[14]。泵轴疲劳失效是一个复杂过程。泵轴系应力集中、制造缺陷及腐蚀环境因素的共同影响，在交变的扭转及弯曲载荷的作用下,导致泵轴早期疲劳失效。为此，应重点在结构设计、选材、制造工艺及表面强化处理等环节，寻求改善泵轴疲劳失效的新途径，以确保化工设备的安全运行[15]。此外，泵轴的失效形式还有轴弯曲和磨损。轴弯曲多发生在深井泵、多级泵，这些泵轴长径比较大。深井泵轴弯曲的原因是：转子动不平衡过大，转子振动，泵基础水平度超差。对于卧式多级泵，多试由于不及时盘车引起的跨中下垂，转子上下部分温差引起的变形，转子动不平衡过大、对中偏离引起的振动。磨损多是伴随轴弯曲而产生的，另外在轴承轴径部位由于轴承内圈过松或轴承损坏而引起的磨损也经常出现[16]。近年来，随着工业的快速发展，生产工艺的日益复杂和苛刻性，一些耐蚀性较好且价格较贵的合金也用于泵轴的生产，如Hastelloy合金。一般而言，Hastelloy合金分为耐蚀合金和耐热合金,耐蚀合金又分为3个主要系列即Hastelloy合金B、Hastelloy合金C和Hastelloy合金G。B系列有B、B-2、B-3；C系列有C、C-276、C-4、C-22、C-2000；G系列有G、G-3、G-30、G-50等。Hastelloy耐蚀合金中最通用的是C类合金[17]。哈氏合金C-276是美国哈氏合金国际公司（HAYNESINTERNATIONALNIC）研发生产一种含钨的镍－铬－钼合金[18]，含有约16%（质量分数）的Mo和Cr元素[19]。C-276合金因耐湿氯、各种氧化性氯化物、氯化盐溶液、硫酸与氧化性盐、各种有机酸等的腐蚀，且因极低的碳、硅含量,在焊接热影响区能抵制晶界沉积的形成，在焊后可直接使用，近年来，在化工、石油、烟道气体除硫、纸浆和造纸等特殊领域中有一定的应用[20]，如火电厂脱硫塔烟气进口部分全部采用哈氏合金C-276或其它超强耐腐蚀合金[21]。由于哈氏合金C-276常用于介质腐蚀性较强的环境，因此，腐蚀也是哈氏合金C-276泵轴材料发生失效的原因之一。腐蚀是材料在环境的作用下引起的破坏或变质，金属和合金的腐蚀主要是由于化学或电化学作用引起的破坏，有时还同时伴有机械、物理或生物作用[22]。C-276材料与普通不锈钢（如304、316L）、双相不锈钢（如SAF2205）、蒙乃尔合金Mone1400这些常用的醋酸设备用材相比，其突出特点是抗均匀腐蚀、局部侵蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀性能更好[23]；并且C-276合金母材是一种塑性很好的高温材料，高温下的延伸率能够达到40％左右，但是焊接接头的延伸率小于10％[24]，可用通常使用的焊接方法中的任何一种来施焊，如钨级惰性气体保护电弧焊（TIG）、熔化级惰性气体保护电弧焊（MIG）、手工电弧焊（药皮焊条）或电阻焊[25]，因此在化工领域得到广泛应用。但由于哈氏合金C-276泵轴加工或泵轴本身材质的原因，在使用过程中也曾发生过断裂，因此，对其断裂机理和原因进行研究也是十分必要的。五、参考文献[1]李云.过程流体机械[M].化学工业出版社.2013[2]齐学义.多级泵轴断裂分析[J].江苏大学学报.2008.29(6):502-506[3]黄自强.泵轴的选材与技术要求[J].水泵技术.1998(5).37-40[4]No.4030,Nicrofer5923hMoalloy59,ThyssenKruppVDM,March2002[5]唐广军.进料泵轴腐蚀原因的分析及解决措施[J].流体机械.2011.39（9）:54-56[6]杨力.35CrMo钢带泵轴断裂原因分析[J].机械工程材料.2008.32(6):78-80[7]关醒凡.现代泵理论与设计[M].中国宇航出版社.2011[8]张海亮.泵轴断裂原因分析[J].铜陵职业技术学院报.2014(2).75-77[9]邹龙江.316L不锈钢泵轴断裂原因分析[J].理化检验.2014.50(5):356-358[10]师红旗.不锈钢泵轴断裂失效分析[J].水泵技术.2009(3).38-40[11]丁毅.电机轴疲劳断裂失效分析[J].金属热处理.2001(12).111-114[12]FereneW,WalkowDA,Thermalandspectralpropertiesof2.3-2.4and3.4-dimethoxybenzoatesoflightlanthanides[J].J.themanal.Cal.2002.70(3):949-958[13]张正贵.铝合金构件拉伸与疲劳断裂分析[J].有色金属.2007(1).17-19[14]高玉魁.疲劳断裂失效分析与表面强化预防[J].金属加工.2008(17).26-28[15]黄松林.泵轴疲劳失效分析与研究[J].煤矿机械.2008.29(8):75-76[16]袁周.工业泵常见故障及维修技巧[M].化学工业出版社.2008[17]刑卓.HastelloyC系列合金综述[J].化工设备与管道.2007.44(2):51-58[18]KimWG,YinSN,KimYW,etal.CreepCharacterizationofaNi-baseHasrelloy-XAlloybyUsingThetaProjectionMethod[J].EngineerfractureMechanics,2008(75)：4985-4995[19]AkhterJI,ShaikhMA.EffectofAgingontheHardnessandImpactPropertiesofHastelloyC-276[J].JournalofMaterialsScienceLetters,200120(4):333[20]石记平.C-276合金同种钢及异种钢焊接工艺实验[J].工艺与新技术.2007.36(4):38-40[21]Guidelinesfortheweldedfabricationofnickelalloysforcorrosion-resistantservice，NickelDevelopmentInstituteReferenceBook,SeriesNO.11012.1994[22]胡慧峰.哈氏C-276的制作性能[J].工程技术.2012.77-78[23]宫恩祥.哈氏合金HaselloyC-276在醋酸高速泵中的应用[J].水泵技术.2009(1).36-38[24]马雁.C-276合金焊接接头的高温力学性能[J].动力工程学报.2014.34(3)：248-252[25]李力松.哈氏合金C—276材料在化工压力容器中的应用[J].石油化工设计.2003.20（1）：36-38毕业设计（论文）开题报告２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：（1）通过广泛查阅资料，对泵及泵轴的结构、作用、选材等进行综合归纳和总结；（2）了解泵轴在运行过程中的受力特点；（3）对实际生产中发生的泵轴断裂事故，归纳和总结泵轴常见的失效断裂，重点对疲劳断裂进行分析，特别是容易发生疲劳断裂的部位以及改进措施等（4）针对化工用HastelloyC276钢泵轴，通过试验，从宏观、微观以及定量测试，了解HastelloyC276钢的性能特点以及研究泵轴的断