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(寧夏電力能源科技有限公司, 銀川 750002)

給水泵軸斷裂原因分析

包艷蓉,叢培軍,李亮,楊偉東,楊浩,馬利立

(寧夏電力能源科技有限公司, 銀川 750002)

某電廠一臺(tái)給水泵發(fā)生軸斷裂事故。通過斷口宏觀及微觀分析、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測試及金相檢驗(yàn)等，對水泵軸斷裂的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：斷裂泵軸存在魏氏組織、網(wǎng)狀鐵素體以及沿晶界分布的屈氏體等組織缺陷，材料的強(qiáng)度和韌性不足，使其在密封槽應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生裂紋；在交變應(yīng)力的作用下，泵軸發(fā)生疲勞開裂；給水泵在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)氣蝕，也加速了泵軸的斷裂。

給水泵軸； 組織缺陷； 疲勞斷裂； 氣蝕

2016年9月6日，某電廠一給水泵出口流量由260 t·h-1突降至170 t·h-1，出口壓力由1.1 MPa突降至0.56 MPa，補(bǔ)水除氧器內(nèi)部壓力為0.171 MPa、溫度為113 ℃，水泵入口壓力為0.173 MPa。將水泵解體檢查，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)端機(jī)械密封處泵軸斷裂。

軸是支承轉(zhuǎn)動(dòng)零件并與之一起回轉(zhuǎn)以傳遞運(yùn)動(dòng)、扭矩或彎矩的重要機(jī)械零件，軸的突然斷裂是一種少見的重要設(shè)備故障，嚴(yán)重影響著機(jī)組的安全運(yùn)行[1-3]。研究給水泵軸的斷裂原因?qū)ΡＷC電站安全、可靠運(yùn)行具有非常重要的實(shí)際意義。給水泵軸斷裂的原因大多集中在諸如泵軸結(jié)構(gòu)、各類夾雜物、表面硬脆鍍層開裂等引起的疲勞斷裂上，而關(guān)于屈氏體和泵軸氣蝕引起斷裂的報(bào)道非常少見[4-9]。

為了查明該給水泵軸斷裂的根本原因，筆者對斷軸進(jìn)行了斷口宏觀及微觀分析、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測試及金相檢驗(yàn)等試驗(yàn)，以避免類似事故的再發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1斷口宏觀分析

泵軸斷裂成兩截，斷裂位置位于驅(qū)動(dòng)端密封槽處，斷口宏觀形貌見圖1?？梢姅嗫谄街薄⒄R，無明顯塑性變形，斷面與軸向基本垂直，無機(jī)械損傷痕跡。斷口分為3個(gè)區(qū)域，即起裂區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和終斷區(qū)，斷面不同區(qū)域的金屬表面顏色有明顯差異。起裂區(qū)位于軸表面密封槽部位，顏色發(fā)藍(lán)、發(fā)黑；裂紋擴(kuò)展區(qū)呈灰色，所占面積較大，可見較多細(xì)小麻坑；終斷區(qū)顏色鮮亮，呈明顯撕裂狀態(tài)，位于起裂區(qū)對側(cè)。距泵軸斷口軸向5 mm處的密封槽部位，可見明顯周向裂紋，長20 mm，如圖2圓圈標(biāo)注所示。

圖1 給水泵軸斷口宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of fracture surface of the water pump shaft:a) fracture surface of the non-driving side; b) fracture surface of the driving side

圖2 斷軸密封槽處周向裂紋形貌Fig.2 Morphology of circumferential cracks in the sealing groove of the fractured shaft

1.2斷口微觀分析

圖3 起裂區(qū)疲勞條帶和裂紋形貌Fig.3 Morphology of fatigue striations and cracks in thecrack source zone:a) morphology 1; b) morphology 2

圖4 氣蝕坑和氣蝕坑底部的碎裂形貌Fig.4 Morphology of cavitation pits and the fragmentation at the bottom of the cavitation pits:a) morphology 1; b) morphology 2

對泵軸斷口不同區(qū)域取樣進(jìn)行掃描電鏡觀察，結(jié)果如圖3～7所示。由圖3可見：起裂區(qū)疲勞條帶呈海灘花樣，清晰可見，證實(shí)泵軸斷裂是由疲勞破壞所致，疲勞條帶呈凸起弧狀向軸心擴(kuò)展，沿疲勞條帶走向可判斷裂紋起源于軸表面密封槽部位，裂紋源具有多源性，且存在一定程度的氧化現(xiàn)象；疲勞條帶周圍存在較多二次裂紋，表明疲勞裂紋擴(kuò)展過程中伴隨著脆性開裂。由于氣蝕作用，擴(kuò)展區(qū)的疲勞條帶已模糊不清，斷面凹凸不平，布滿氣蝕坑和裂紋。氣蝕坑底部可見氣蝕沖擊造成的材料碎裂痕跡，如圖4所示。氣蝕的沖擊作用使材料表面產(chǎn)生氣蝕針孔，隨后在針孔壁處萌生裂紋，裂紋擴(kuò)展、相連，造成表層小塊剝落。上述過程反復(fù)進(jìn)行，使表層材料不斷剝落，如圖5～6所示。裂紋沿晶界萌生、擴(kuò)展和連接進(jìn)而導(dǎo)致晶粒剝落是氣蝕的一種重要失效模式。斷口終斷區(qū)可見較多小而淺的韌窩形貌，表明終斷區(qū)具有韌性開裂特征，如圖7所示。

圖5 裂紋擴(kuò)展、相連形貌Fig.5 Morphology of propagation and connection of cracks

圖6 層狀剝落形貌Fig.6 Morphology of the lamellar exfoliation

圖7 終斷區(qū)韌窩形貌Fig.7 Morphology of dimples in the final fracture zone

1.3化學(xué)成分分析

斷軸的化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示，可見斷軸的各元素含量均符合GB/T 3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》[7]對設(shè)計(jì)材料35CrMo鋼的技術(shù)要求，不存在材料錯(cuò)用的問題。

表1 斷軸化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Analysis results of chemical compositions of thefractured shaft (mass fraction) %

1.4力學(xué)性能測試

斷軸的室溫拉伸試驗(yàn)、室溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，可見其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及沖擊吸收能量均低于GB/T 3077-2015技術(shù)要求，即斷軸的強(qiáng)度、韌性均不足，而強(qiáng)度、韌性對金屬材料的抗氣蝕性能影響較大。

表2 斷軸拉伸和沖擊試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of tensile and impact testing of the fractured shaft

在斷軸非驅(qū)動(dòng)端側(cè)距斷口15 mm處橫向切取一圓截面試樣，經(jīng)磨制、拋光、4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸乙醇溶液侵蝕后，對圖8所示不同區(qū)域進(jìn)行里氏硬度測試，每個(gè)區(qū)域沿周向間隔90°進(jìn)行測試，結(jié)果如表3所示。可見斷軸硬度分布不均勻，亮圈區(qū)域硬度與其他區(qū)域的差別較大，而表面和心部硬度差別不大。

圖8 里氏硬度測試區(qū)域形貌Fig.8 Morphology of the area for Leeb hardness testing

1.5金相檢驗(yàn)

在斷軸非驅(qū)動(dòng)端側(cè)距斷口15 mm處橫向切取一圓截面試樣，再在其心部(包括亮圈部位)和表面截取塊狀試樣，經(jīng)磨制、拋光和4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液侵蝕后在光學(xué)顯微鏡下觀察。近表面顯微組織為回火索氏體+鐵素體+魏氏組織+屈氏體，少量區(qū)域鐵素體呈網(wǎng)狀分布，魏氏組織從原奧氏體晶界上生長出來，呈針狀插入回火索氏體中，屈氏體呈黑色網(wǎng)狀，沿奧氏體晶界析出，如圖9所示。亮圈處顯微組織為少量回火索氏體+鐵素體+魏氏組織，如圖10所示，此處回火索氏體較少，進(jìn)一步驗(yàn)證其硬度較心部和表面硬度偏低的結(jié)果。心部顯微組織為回火索氏體+鐵素體+魏氏組織+屈氏體，如圖11所示。魏氏組織的出現(xiàn)使調(diào)質(zhì)鋼的力學(xué)性能大大惡化，尤其是使鋼的強(qiáng)度、沖擊韌度顯著降低。屈氏體為淬火不完全組織，在晶界上產(chǎn)生，這種組織的綜合力學(xué)性能與全淬火組織的相比相差很大，尤其是強(qiáng)度和韌性指標(biāo)。

圖10 亮圈處顯微組織形貌Fig.10 Microstructure morphology of the bright circle zone

圖11 心部顯微組織形貌Fig.11 Microstructure morphology of the core part

2 綜合分析

斷軸的化學(xué)成分與設(shè)計(jì)材料35CrMo鋼的相符，不存在材料錯(cuò)用的問題。

通過斷口分析可知，裂紋起源于軸表面密封槽部位，具有多源性，起裂區(qū)疲勞條帶清晰可見，證實(shí)泵軸斷裂是由疲勞破壞所致。裂紋擴(kuò)展區(qū)布滿了氣蝕坑和層狀剝落，氣蝕坑底部可見氣蝕沖擊造成的材料碎裂痕跡。斷口微觀分析證實(shí)了裂紋擴(kuò)展區(qū)宏觀所見的較多細(xì)小麻坑為氣蝕所致，泵軸斷裂為疲勞破壞和氣蝕共同作用的結(jié)果。

泵軸組織與正常調(diào)質(zhì)處理得到的回火索氏體組織相比，存在網(wǎng)狀鐵素體、魏氏組織和沿晶界分布的屈氏體組織缺陷，而這些組織的出現(xiàn)使調(diào)質(zhì)鋼的力學(xué)性能大大惡化，尤其是使鋼的強(qiáng)度、沖擊韌度、抗疲勞性能顯著降低，而強(qiáng)度、韌性對金屬材料的抗氣蝕性能有較大影響。

經(jīng)調(diào)查，給水泵廠家提供的水泵入口壓力為1.0 MPa，而該電廠補(bǔ)水除氧器運(yùn)行壓力為0.147～0.35 MPa，即給水泵正常運(yùn)行時(shí)入口壓力低于廠家要求的壓力。另外，設(shè)計(jì)補(bǔ)水除氧器正常運(yùn)行時(shí)的溫度為136 ℃，也就是說，設(shè)計(jì)給水泵入口溫度也為136 ℃。但給水泵使用說明書中提到的設(shè)計(jì)溫度和給水泵入口溫度最高為104 ℃，因給水泵入口壓力不足，且進(jìn)入給水泵內(nèi)的介質(zhì)水溫高于給水泵使用說明書中提供的最高介質(zhì)溫度，造成水泵腔室內(nèi)出現(xiàn)輕微汽化，泵體腔室內(nèi)有少部分氣泡無法帶走，在水泵運(yùn)行過程中氣泡擠壓破裂瞬時(shí)產(chǎn)生極大的沖擊力，即水泵產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。水泵氣蝕引發(fā)水泵振動(dòng)，而振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致泵軸徑向跳動(dòng)量過大，致使機(jī)械密封出現(xiàn)泄漏。水泵運(yùn)行過程中產(chǎn)生的氣泡被帶到密封槽處，由于密封槽出現(xiàn)泄漏，氣泡很容易進(jìn)入密封槽部位的軸表面，從而作用于已疲勞開裂的軸斷面，使斷面發(fā)生氣蝕。

3 結(jié)論及建議

(1) 斷裂給水泵軸存在網(wǎng)狀鐵素體、魏氏組織和沿晶界分布的屈氏體組織缺陷，使鋼的強(qiáng)度和韌性不足，在驅(qū)動(dòng)端密封槽應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生裂紋，在交變應(yīng)力作用下，軸發(fā)生疲勞斷裂。

(2) 給水泵廠家在水泵選型中，未考慮到給水泵入口壓力、溫度與補(bǔ)水除氧器運(yùn)行的壓力、溫度參數(shù)不一致的情況，造成水泵在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，加速了軸的斷裂。

(3) 建議在水泵軸熱處理后對軸端面進(jìn)行里氏硬度測試，必要時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場顯微組織檢驗(yàn)；設(shè)備應(yīng)嚴(yán)格按運(yùn)行規(guī)程及設(shè)計(jì)參數(shù)運(yùn)行，杜絕設(shè)備超溫、超壓運(yùn)行；將中繼水泵入口水溫調(diào)整在104 ℃以下。

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AnalysisonFractureReasonsoftheWaterPumpShaft

BAOYanrong,CONGPeijun,LILiang,YANGWeidong,YANGHao,MALili

(Ningxia Power Energy Resources Science & Technology Ltd., Yinchuan 750002, China)

A fracture fault occurred to a water pump shaft in a power plant. The fracture reasons of the water pump shaft were analyzed by methods of macroscopic and microscopic analysis of the fracture surface, chemical composition analysis, mechanical property testing, metallographic inspection and so on. The results show that: the microstructure defects, such as widmanstatten structure, reticulate ferrite and troostite distributed along the grain boundaries, existed in the fractured pump shaft, and the insufficient strength and toughness caused cracks in the sealing groove where the stress concentrated; under the action of alternating stress, fatigue cracking occurred to the shaft; the cavitation of the water pump accelerated fracture of the pump shaft during use.

water pump shaft; structure defect; fatigue fracture; cavitation

10.11973/lhjy-wl201709014

2016-11-23

包艷蓉(1985-)，女，工程師，碩士，主要從事電站金屬材料的理化檢驗(yàn)、事故失效分析工作，byr_0810@163.com

TG115.2

：B

：1001-4012(2017)09-0675-04