硫酸泵机械密封选择（某德资品牌硫酸泵断轴）

某化工企业装置的硫酸泵因其工艺特殊，介质具有强腐蚀性，因此采用德国某公司生产的泵进行生产。但在使用过程中，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，详细参数如表1所示。

图1一期硫酸泵液力端剖面图

生产设备中悬臂式离心泵共4台，于2017年底大修更换安装使用。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（如图1）。二期2台泵采用机械密封，取消副叶轮。

图2损坏轴与完好轴对比

3次轴损坏情况分别为2018年10月一期运行的1#硫酸泵流量压力掉零，拆开发现叶轮锁紧帽部位断裂；2018年12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；2019年2月，二期1#泵（机械密封泵，于2018年从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。

图3 静密封垫变形

图2和图3为2018年1月安装的新泵，于10月故障时拆解时的状况。从图2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，各密封垫变形。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。

图4 硫酸对碳钢腐蚀影响

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。从图4中可以得出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。本公司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。

图5腐蚀掉的副叶轮

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为某公司的铸造件，具有良好的抗腐蚀能力，但从使用来看其耐腐蚀性能一般，图5为运行10个月的副叶轮腐蚀状况。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（德国DIN标准材料钢号1.0503），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。图4中的研究数据表明，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。

轴头叶轮锁紧帽（2.4610）为Hastelloy C4系列，基本成份00Cr16Mo16Ni65Ti，对应中国牌号NS335。哈氏合金是一种镍基耐腐蚀合金，主要成分为镍铬合金与镍铬钼合金两大类，其具有良好的抗腐蚀性和热稳定性。

图6不同温度条件下的垫片变形率

图7 不同温度条件下的垫片抗压强度

静密封材料为膨体四氟乙烯（ePTFE）。膨体聚四氟乙烯具天然的化学惰性、防水性、热稳定性和较高的机械强度，甚至暴露于腐蚀性化学品、摩擦、高稳或极低温度时亦可有效密封，广泛应用于工业酸碱管道密封。但聚四氟乙烯存在冷流蠕变的特性，即材料制品在长时间连续载荷作用下发生塑性变形。另外其线膨胀系数为钢的10~20倍，其线膨胀系数随着温度的变化而发生不规律的变化。图6和7为GORE公司改良性ePTFE垫片与其它ePTFE垫片性能测试比较。随着温度增加垫片抗压强度越低、变形越大，这意味着不能保持更大的螺栓压紧力，使其在一定的螺栓力下，垫片会变形挤入空间或管道，造成法兰面密封不严。

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。理论情况下，聚四氟乙烯垫片密封隔离，保护了轴不会接触介质而腐蚀。但因为密封失效，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。

图8 叶轮键槽部位密封宽

图9 改造示意图

叶轮与叶轮锁紧螺母之间垫片尺寸为D60/45*0.8,密封宽度为7.5 mm，但是叶轮上受键槽切削影响，密封宽度最窄部位为2.5 mm(理论值)，且该部位存在键槽空洞。受其影响的四氟垫片在螺栓紧固力矩紧力（380 NM）作用下和温度升高影响下，发生冷流蠕变，最窄部位的垫片变形流入键槽，造成键槽部位密封面密封不严。叶轮与副叶轮之间的垫片也是这种情况，叶轮背后虽然有效密封宽度5 mm，但是副叶轮的键槽存在，有效密封宽度只有4.1 mm。叶轮和副叶轮存在键槽以及叶轮与副叶轮孔径差，都为该垫片留了充裕的冷流空间，最后被挤压的垫片如图3所示。

改进对策

密封性能改进

图10 耐硫酸材料选用图

静密封失效是本次故障的原因所在。叶轮锁紧帽部位因为键槽的存在，导致最窄有效密封宽度在2.0~2.5 mm之间，在垫片变形的情况下十分容易泄漏。如果在叶轮加工时键槽不铣通，则有效密封宽度为7.5 mm，完全可以达到密封效果。叶轮与副叶轮之间的密封垫虽然有效密封宽度有4.1 mm，但使用效果不好，且面临前后2个键槽不能像叶轮一样将键槽封住。考虑到聚四氟材料冷流的特点，对副叶轮轮毂车宽度2 mm、深度1 mm的垫片槽，安装线径宽度2 mm、厚度1.5 mm的聚四氟乙烯垫片与前叶轮配合安装，能解决后部垫片泄漏问题，如图9所示。

轴和键不耐腐蚀，是本次故障的核心问题所在，如果轴耐腐蚀就不存在断轴和问题。要提高轴的耐酸腐蚀性，则要从材质上改进。图10为相关资料上显示的耐硫酸材料选用图，对比图中位置，适合100℃、68%浓度硫酸材料位于区域5。而区域5中能选用的（除铸造件外）金属材料只有20#合金钢。我们对比另外一台苏尔寿厂生产硫酸泵，发现其壳体和轴套为20#合金钢，轴用材料却选择XM-19。查询资料发现20#合金钢机械性能较45#钢偏低，尤其是屈服强度不高，难以达到本台硫酸泵用轴所需刚度，存在轴弯曲的风险，2.4610材料也存在同样的情况。

据相关文献介绍，XM-19/S20910/Nirtonic50为同一种材料00Cr22Ni13Mn5Mo2N，属于氮强化奧氏体不锈钢，其抗腐蚀性能优于316、616L、317和317L，且室温下屈服强度几乎是它们的2倍。该钢在高温和低温下都有良好的机械性能，其最低抗拉强度为690 MPa，经热轧后屈服强度可达到515 MPa(50.8~76.2 mm轴径)，是优良的泵轴用材。几种轴用材料机械性能对比见表2。

根据类比原则，选用XM-19作为耐酸腐蚀的泵轴及键用材合适之选。

结语

硫酸泵的过流件材料特殊且为铸造件，叶轮键槽填堵不能通过焊接完成，因此需重新铸造。轴用材料发生改变时需要重新加工制造，设备制造方德国FRIATEC公司进行以上改进工作，制造后发货更换。到目前为止，零件依然在德国加工中。

本次硫酸泵断轴，既有选材原因，又有设计不当的因素。键槽的存在一方面消减了有效密封宽度，另一方面让聚四氟乙烯材料的垫片有冷流蠕变的方向，从而造成密封失效泄漏。而聚四氟乙烯是绝佳的密封材料，只要充分利用其无冷流变形的特性，就会获得良好的密封性能。

45#钢作为泵轴选材是基于经济性的考虑，但在安全和性能都达不到使用要求的情况下，考虑经济性是无意义的。本次是基于密封和轴用材料双方面的改进，有效杜绝了改进后硫酸泵的断轴问题。来源：流程工业，原文《硫酸泵断轴原因分析及对策》

,