化工企业硫酸泵腐蚀断裂问题严重，影响装置安稳运行

某化工企业的硫酸泵由德国公司生产，由于工艺特殊，介质腐蚀性强，但在使用过程中，轴、叶轮键多次腐蚀断裂，需要紧急停机更换备用泵，严重影响装置的稳定运行，增加了维修工作量和风险。该泵介质为68%H2SO4+3%HNO3+0.38%硝基苯+29.9%H2O，腐蚀性极强，详细参数见表1。

图1 一期硫酸泵液力端剖面图

生产装置共有4台悬臂式离心泵，于2017年底大修更换并投入使用。该装置一期2台泵采用填料密封，在主叶轮后设置副叶轮，防止介质泄漏（如图1所示）。二期2台泵采用机械密封，取消副叶轮。

图2 受损轴与完好轴对比

3起轴损事件分别为：2018年10月，一期1#硫酸泵流量、压力降至零，拆检时发现叶轮锁紧盖断裂；2018年12月，一期2#泵进行预防性维护，发现泵叶轮锁紧盖腐蚀；2019年2月，二期1#泵（机械密封泵，2018年从1#拆除，更换为机械密封后安装在2#）流量、压力降至零，拆检时发现叶轮锁紧盖断裂。

图3 静密封变形

图2、图3为2018年1月安装的新泵及10月拆卸时的情况。从图2中损坏轴与完好轴的对比可以看出，轴在叶轮锁紧盖处断裂，键槽腐蚀，垫片变形。另外两次拆卸的情况也类似。

损坏原因分析

从拆解可以看出，介质对轴造成了腐蚀，最终导致轴头螺纹断裂。现在我们来详细分析一下每一个因素。

图4 硫酸对碳钢腐蚀的影响

媒体分析

硫酸是重要的工业原料，也是腐蚀性最强的介质之一。它和所有强酸一样，在酸溶液中含有大量的氢离子，是有效的阴极去极化剂。大多数工业金属和合金的电极电位都低于氢电极电位，它们遇到硫酸溶液就会很快溶解。但稀硫酸和浓硫酸的腐蚀性有很大区别，稀硫酸一般只显酸性，而浓硫酸不仅显酸性，而且是强氧化剂。因此，浓硫酸不仅有氢去极化作用，而且有氧去极化作用。这就造成一些不耐稀硫酸而易钝化的金属和合金在浓硫酸中产生一层保护膜，从而具有抵抗浓硫酸的能力。硫酸一旦稀释到68%以下，碳钢、铸铁设备就会受到严重的腐蚀。

另外，在硫酸溶液中，温度和流速的升高都会加剧稀酸和浓酸的腐蚀，在浓硫酸中形成的钝化膜在高温、大流速下会被破坏。从图4可得出，30℃时70%硫酸溶液对碳钢材料的静态腐蚀速率为0.5mm/a，而100℃时则达到5mm/a。我公司使用的硫酸泵在100℃温度下运行的都是68%硫酸，处于流动状态，腐蚀性极强。曾发生过将20#碳钢丝堵误装为20#合金钢丝堵使用，运行2天后发生泄漏的事故。

硝酸是强氧化性酸，为无色透明液体。浓度达到68%以上时，易挥发形成酸雾。一般我们把浓度在32%（6mol/L）以下的硝酸称为稀硝酸。有关资料显示，浓硝酸在常温下能使铁钝化。硝酸越稀，其酸性越强，即使是很稀的硝酸也能和铁发生化学反应。浓度为3.073%（0.495mol/L）的硝酸就是很稀的硝酸，可能会腐蚀碳钢材料。

图5 腐蚀的辅助叶轮

流通领域金属材料分析

叶轮、副叶轮等与介质接触的零部件材质R30.20为某公司铸件，耐腐蚀性能好，但在使用中其耐腐蚀性能一般。图5为运行10个月后副叶轮的腐蚀情况，从拆开的泵壳流通部分看，有蜂窝状腐蚀坑。该装置也多次遇到PT合格泵盖板在使用一段时间后出现漏酸的情况。

轴、键材料采用45#钢(德国DIN标准材料钢号1.0503)，是一种常用的中碳钢，强度高，机械加工性好。零件经调质处理后，综合力学性能好，广泛应用于各种重要结构件，通常用于连杆、螺栓、齿轮、轴等。但缺点是表面硬度低，不耐磨。此碳钢采用调质+表面淬火处理，提高零件表面硬度。图4研究数据表明，低于65%的任何温度的硫酸中，碳钢都不能使用。同时，在65℃以上的温度下，不管硫酸浓度多高，一般都不能使用碳钢。

轴头叶轮锁紧盖（2.4610）为哈氏合金C4系列，基本成分为00Cr16Mo16Ni65Ti，对应中国牌号NS335。哈氏合金是一种镍基耐蚀合金，主要成分为镍铬合金和镍铬钼合金，具有良好的耐蚀性和热稳定性。

图6 不同温度条件下垫片变形率

图7 不同温度条件下垫片的抗压强度

静密封材料为膨体四氟乙烯（ePTFE）。膨体聚四氟乙烯具有天然的化学惰性、耐水性、热稳定性和较高的机械强度，即使暴露在腐蚀性化学物质、摩擦、高温或极低的温度下也能有效密封，广泛应用于工业酸碱管道密封。但聚四氟乙烯具有冷流蠕变的特性，即材料制品在长期连续载荷作用下会发生塑性变形。另外，它的线膨胀系数是钢的10到20倍，而且其线膨胀系数随温度变化而无规律地变化。图6和图7是GORE改进型ePTFE垫片与其他ePTFE垫片的性能测试对比。随着温度的升高，垫片的抗压强度下降，变形量增大，这意味着不能维持较大的螺栓夹紧力，这样在一定的螺栓力作用下，垫片就会变形并挤入空间或管道，造成法兰面密封不良。

综合分析

在介质及循环件材质分析上，硫酸泵使用的介质腐蚀性较强，硫酸泵使用的45#钢轴材料不耐介质腐蚀。理论上，聚四氟乙烯垫片起密封隔离作用，保护轴不与介质接触，不被腐蚀。但由于密封失效，酸性介质渗透腐蚀键和轴，导致键传动失效或轴头螺纹断裂。

图8 叶轮键槽密封宽度

图9 改造示意图

叶轮与叶轮锁紧螺母之间的垫片尺寸为D60/45*0.8，密封宽度为7.5mm，但由于叶轮上切割有键槽，最窄密封宽度为2.5mm（理论值），该处存在键槽空腔。受影响的PTFE垫片在螺栓紧固扭矩（380NM）作用下以及温度升高的影响下发生冷流蠕变，最窄处的垫片变形并流入键槽，导致键槽处密封面密封不良。叶轮与辅叶轮之间的垫片也存在这种情况，虽然叶轮后方有效密封宽度为5mm，但由于辅叶轮的键槽存在，有效密封宽度只有4.1mm。叶轮与辅叶轮之间键槽的存在以及叶轮与辅叶轮之间的孔径差异为垫片留下了充足的冷流空间。 最终挤压好的垫片如图3所示。

改善措施

提高密封性能

图10 耐硫酸材料选择图

静密封失效是造成本次失效的原因。由于叶轮锁紧盖处有键槽，最窄的有效密封宽度在2.0～2.5 mm之间，当垫片变形时，极易发生泄漏。如果叶轮加工时不铣透键槽，则有效密封宽度为7.5 mm，完全可以起到密封作用。虽然叶轮与副叶轮之间的密封垫片的有效密封宽度为4.1 mm，但使用效果不佳，而且面对前后键槽时，键槽不能像叶轮那样起到密封作用。考虑到聚四氟乙烯材料的冷流特性，在副叶轮轮毂上加工出宽度为2 mm、深度为1 mm的垫片槽，配合前叶轮安装丝径宽度为2 mm、厚度为1.5 mm的聚四氟乙烯垫片，以解决后垫片的泄漏问题，如图9所示。

轴与键不耐腐蚀，是本次故障的核心问题，如果轴耐腐蚀，就不会出现断轴、断问题。要提高轴的耐酸腐蚀性能，必须对材料进行改进，图10为相关资料中所示的耐硫酸材料选择图。对比图中位置，适用于100℃、68%浓度硫酸的材料位于区域5。区域5中唯一可选的金属材料（铸件除外）为20#合金钢。我们将其与苏尔寿厂生产的另一台硫酸泵进行对比，发现它的壳体、轴套为20#合金钢，但轴材料为XM-19。查询发现，20#合金钢的力学性能比45#钢低，特别是屈服强度不高，难以达到这台硫酸泵轴所需的刚度，存在轴弯曲的风险。 2.4610材料也存在同样的情况。

根据相关文献，XM-19/S20910/Nirtonic50为同种材料00Cr22Ni13Mn5Mo2N，为氮强化型奥氏体不锈钢。其耐腐蚀性能优于316、616L、317、317L，室温屈服强度几乎是316、616L、317、317L的两倍。该钢在高温和低温下均具有良好的力学性能，最小抗拉强度为690MPa。热轧后屈服强度可达515MPa（轴径50.8~76.2mm），是制作泵轴的优良材料。几种轴材料的力学性能对比见表2。

根据类比原理，XM-19是耐酸腐蚀泵轴及键材料的合适选择。

结论

硫酸泵过流部件材质特殊，为铸件，叶轮键槽堵漏无法通过焊接完成，需重铸，轴材质改变时需重新加工制造，设备制造商德国FRIATEC公司进行上述改进工作，制造完成后交付更换，至今该部件仍在德国加工。

硫酸泵轴断裂事故既有材料选择不当，也有设计不当。键槽减少了有效密封宽度，使聚四氟乙烯垫片发生冷流蠕变，导致密封失效、泄漏。聚四氟乙烯是一种性能优良的密封材料，只要充分利用其无冷流变形的特性，就能获得良好的密封性能。

选择45#钢作为泵轴的材料是出于经济性的考虑，但如果安全性和性能达不到使用要求，单纯考虑经济性是没有意义的。本次基于密封和轴材料两方面的改进，有效杜绝了改进后的硫酸泵轴断裂问题。来源：过程工业，原文《硫酸泵轴断裂原因分析及对策》

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