摘要：通過對尖峰冷卻裝置循環(huán)水泵軸斷裂原因分析，確定水泵軸斷裂的主要原因是泵軸選材不當(dāng)，強(qiáng)度安全裕度不能滿足設(shè)計(jì)要求;原材料非金屬夾雜物較多，且存在超大尺寸夾雜物，故泵軸冶金質(zhì)量不高;沖擊韌性和斷后伸長率力學(xué)性能不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，微觀組織雖顯示為回火索氏體，但沿晶界處有連續(xù)分布且已成串的碳化物，晶內(nèi)也存在大顆粒碳化物，故調(diào)質(zhì)處理不良;利用掃描電鏡觀察其微觀形貌特征，發(fā)現(xiàn)局部疲勞條帶，疲勞條帶間分布著多個(gè)夾雜物，擴(kuò)展區(qū)表現(xiàn)為準(zhǔn)解理斷裂特征。因此提出了相應(yīng)的如強(qiáng)化泵軸材料制造質(zhì)量控制、優(yōu)化泵軸疲勞設(shè)計(jì)及保證泵在額定工況點(diǎn)下運(yùn)行等改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：循環(huán)水泵 泵軸 疲勞斷裂 原因分析

中圖分類號(hào)：TH311????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0? 引言

某發(fā)電廠尖峰冷卻裝置循環(huán)水泵是該裝置的關(guān)鍵大型泵組，其中DHA800-0822型泵自2017年5月開始運(yùn)行，截至2018年8月，累積運(yùn)行1年多時(shí)間。期間該泵一直以恒功率平穩(wěn)運(yùn)行，泵的振動(dòng)、軸承運(yùn)轉(zhuǎn)、密封性均良好，未發(fā)現(xiàn)異常。但在2018年8月5日，循環(huán)水泵主軸突然發(fā)生斷裂，致使循環(huán)水泵無法工作，造成裝置生產(chǎn)受到重大影響。為了確保設(shè)備安全運(yùn)行，必須對斷裂的泵軸進(jìn)行詳細(xì)分析，找出泵軸斷裂的主要原因，以便采取相應(yīng)的措施，杜絕泵軸再次發(fā)生類似的事故。

1? 泵的性能參數(shù)及結(jié)構(gòu)

該泵結(jié)構(gòu)為臥式中開單級(jí)雙吸離心泵，見圖1示，泵軸材質(zhì)為20Cr13，主要設(shè)計(jì)性能參數(shù)見表1。

2? 故障情況

2018年8月5日，尖峰循環(huán)冷卻水裝置循環(huán)水泵DHA800-0822型泵電流值突然由51A升至71A，持續(xù)5～6秒后，降至21A，中控室聯(lián)鎖報(bào)警自動(dòng)停機(jī)。對該泵進(jìn)行解體檢查，解體后發(fā)現(xiàn)泵軸在裝葉輪輪轂根部軸肩處垂直斷裂。見圖2示。該處軸徑Φ115mm，鍵槽寬32mm，由于泵軸斷裂，造成葉輪口環(huán)及軸套有局部輕微的拉傷，徑向及止推軸承無損傷。因此該泵軸是突然斷裂。

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3? 原因分析

3.1斷口形貌檢查

斷口宏觀檢測，斷面位于軸變截面處，變截面R角很小，變截面較光滑。變截面處存在一鍵槽，鍵槽底部成直角，且受力最大邊直角處已開裂，在鍵槽位置附近多處存在漩渦狀放射花樣，軸邊緣近1/2周長存在撕裂區(qū)，斷面局部已污染和磨損，存在銹跡，局部有肉眼可見的疲勞紋。從宏觀形貌看，具有脆性斷裂的特征。見圖3示。

3.2斷口微觀組織分析

從泵軸斷裂面下方光桿部分 1/2 半徑部位處取 φ=10mm 縱向圓棒試樣及沖擊試樣，進(jìn)行室溫拉伸與沖擊性能測試試驗(yàn)，其斷后延伸率為17%，小于GB/T1220-2007中斷后延伸率為≥20%的要求，其沖擊吸收功為44 KJ/m，小于GB/T1220-2007中沖擊吸收功≥63 KJ/m的要求。在斷口附近取縱向試樣，按標(biāo)準(zhǔn) GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》A 法對試樣進(jìn)行非金屬夾雜物含量的評(píng)定，結(jié)果見表2非金屬夾雜物，參照 YB/T 5137-2007《高壓用熱軋和鍛件制無縫鋼管圓管坯》標(biāo)準(zhǔn)要求，泵軸中 A 類夾雜物（見圖4示）和 C 類夾雜物已超出標(biāo)準(zhǔn)上限要求，且 C 類還存在著超大尺寸的夾雜物。（見圖5示）

對斷口鍵槽附近取金相試樣進(jìn)行分析，基體為回火索氏體，馬氏體位相不明顯，晶粒度 6 級(jí)，見圖6示，在沿晶界處有連續(xù)分布碳化物，晶內(nèi)也存在大顆粒碳化物。見圖7示。對斷口試樣利用掃描電鏡觀察其微觀形貌特征，局部發(fā)現(xiàn)疲勞條帶，疲勞條帶間分布著多個(gè)夾雜物，擴(kuò)展區(qū)表現(xiàn)為準(zhǔn)解理斷裂特征，脆性斷裂。見圖8示。

4 綜合分析

綜合分析各種檢查情況表明，泵軸斷裂為疲勞斷裂。由非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果可知，其非金屬夾雜物較多，其中 A 類、C 類都評(píng)為 3 級(jí)，且 C 類還存在著超大尺寸夾雜物，由此表明，該鋼的冶金質(zhì)量不高。力學(xué)性能顯示沖擊韌性和斷后延伸率不滿足 GB/T 1220標(biāo)準(zhǔn)要求，而微觀組織雖顯示為回火索氏體，但沿晶界處有連續(xù)分布且已成串的碳化物，晶內(nèi)也存在大顆粒碳化物。鏈狀碳化物的存在導(dǎo)致組織不均勻，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。晶粒粗大則降低材料韌性、塑性和抗疲勞能力。泵在長期運(yùn)行過程中，泵軸在周期性載荷的作用下，存在冶金缺陷的泵軸表面容易形成微裂紋，在周期性載荷的不斷作用下，裂紋再逐步擴(kuò)展最終使泵軸發(fā)生疲勞斷裂。

結(jié)合宏觀和微觀斷口分析，存在疲勞條紋，確定屬于疲勞斷裂，由疲勞條帶和撕裂區(qū)分布，推斷裂紋源位于泵軸的變截面處。泵軸在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中存在交變應(yīng)力，變截面處存在應(yīng)力集中，且原材料的韌性、塑性較差，夾雜物較多，泵軸長期運(yùn)行，在應(yīng)力集中也是夾雜物密集的區(qū)域產(chǎn)生疲勞源，在扭轉(zhuǎn)交變應(yīng)力的作用下，疲勞紋逐漸擴(kuò)展，直至最后發(fā)生瞬間脆性斷裂。

根據(jù)軸強(qiáng)度校核計(jì)算，選用 20Cr13，軸的設(shè)計(jì)安全系數(shù)低于標(biāo)準(zhǔn)要求，軸抵抗塑性變形的能力差，對因瞬時(shí)載荷很大或應(yīng)力循環(huán)不對稱時(shí)易受到破壞而斷裂。

5? 采取的措施

（1）強(qiáng)化泵軸材料的制造質(zhì)量控制。嚴(yán)格按照制造工藝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)制造，控制泵軸材料中的夾雜物不超標(biāo)，使熱處理工藝符合技術(shù)要求，以保證泵軸的制造質(zhì)量。

（2）優(yōu)化泵軸的疲勞設(shè)計(jì)。從泵軸的結(jié)構(gòu)方面分析，就是盡量采用合理的結(jié)構(gòu)形式，以降低危險(xiǎn)截面的應(yīng)力集中，如增大截面過渡區(qū)域的圓角半徑，鍵槽底部尖角變?yōu)閳A角，將直角軸肩變?yōu)閳A角或傾角軸肩，加大軸徑尺寸，提高安全裕量等。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以緩解危險(xiǎn)部位的應(yīng)力集中。嚴(yán)格進(jìn)行軸設(shè)計(jì)強(qiáng)度校核，以便選用合理的材料。

（3）保證泵在額定工況點(diǎn)運(yùn)行。避免泵長期在偏大流量工況點(diǎn)下運(yùn)行，因在大流量工況下運(yùn)行，有可能超載，損害泵零部件，影響泵的使用壽命。偏離工況運(yùn)行，造成泵過流部件脫流損失、沖擊損失、旋渦損失進(jìn)一步加大，這些損失在產(chǎn)生的同時(shí)伴隨著大量的水力噪聲和機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)泵徑向力加大，惡化泵的轉(zhuǎn)子受力情況，引起泵軸疲勞斷裂。

6? 結(jié)論

經(jīng)過重新強(qiáng)度核算，選用安全裕量更大的40Cr合金調(diào)質(zhì)鋼，嚴(yán)格控制泵軸制造質(zhì)量，控制材料金相組織及熱處理符合技術(shù)要求，使得泵軸具有良好的綜合機(jī)械性能，并優(yōu)化泵軸危險(xiǎn)截面的設(shè)計(jì)，加大變截面圓角尺寸等，監(jiān)控泵在額定工況下運(yùn)行。改進(jìn)更換泵軸后近一年現(xiàn)場運(yùn)行，沒有再出現(xiàn)泵軸斷裂的質(zhì)量事故。證明本分析提出的改進(jìn)措施切實(shí)可行。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：楊德忠（19856-），男，漢族，甘肅蘭州，本科，助理工程師，主要研究方向：水力機(jī)械及優(yōu)化設(shè)計(jì)。