循環(huán)水泵泵軸斷裂原因分析及對策

第45卷第2期化工設備與管道Vol. 45 No.22008 年4月PROCESS EQUIPMENT & PIPINGApr. 2008循環(huán)水泵泵軸斷裂原因分析及對策鄭宏練(秦山核電公司,海鹽縣314300)摘要:介紹了秦山核電公司3#循環(huán)水泵在運行過(guò)程中發(fā)生泵軸斷裂事故經(jīng)過(guò)以及解體檢查分析情況,結果表明導致泵軸斷裂的主要原因是疲勞斷裂,并提出了相應的防范措施。關(guān)鍵詞:循環(huán)水泵;泵軸; 疲勞斷裂; 防范措施中圖分類(lèi)號:TQ050.7文獻標識碼: A .文章編號: 1009-3281(2008 )02 004504Cause Analysis and Protection Method of Shaft FractureOccurred in Cyclic Water PumpZheng Honglian(Qinshan Nuclear Pouver Co. )Abstract In this article, the shaft fracture accident occurred in 3# eyclic water pump in performance in Qinshan Nuclear Power Co.as well as the dismount of the pump were introduced. The examination result showed that the main cause of the shaft fracture was fa-tigue damage. Then, the corresponding prevention measures were presented.Keywords eyelic water pump; pump shaft; fatigue fracture; prevention measure秦山核電公司3#循環(huán)水泵為大型立式斜流泵,表13#循環(huán)水泵技術(shù)參數由沈陽(yáng)水泵廠(chǎng)制造。泵軸總長(cháng)約為19 m,分為5根指標型號流量/揚程/轉數/效率/ 軸功率/短軸,泵軸直徑為170mm,中間共有4個(gè)聯(lián)軸器加m' .h-1 m r.min-1 %W以聯(lián)接。該泵軸于2007年7月突然發(fā)生斷裂,隨即性能參數1400HB 16000 25495停車(chē)將整臺泵吊起后，拆除大蓋與出水簡(jiǎn)體連接法1泵軸材料的化學(xué)成 份分析蘭螺栓24個(gè),發(fā)現螺栓已有4個(gè)斷裂,另一半已脫落。本次發(fā)生斷裂的泵軸為第5根,在拆除過(guò)程中，3#循環(huán)水泵泵軸設計時(shí)的材料為316,化學(xué)成發(fā)現固定在導流體內的軸承體法蘭脫離,導致軸承分分析結果見(jiàn)表2。斷裂泵軸的化學(xué)成份與標準推體滑出導流體,泵軸斷裂部位在鍵槽軸肩處。為了薦值較-致,具體牌號應為0Cr18Ni12Mo2Ti奧氏體掌握該泵軸斷裂的原因,對泵軸斷裂部位進(jìn)行了取不銹鋼鍛件,與原設計選用材料相符。但是材料中樣分析。3#循環(huán)水泵的技術(shù)參數見(jiàn)表1。含有較多的硅(1.27% ),已超過(guò)標準上限值,而硅表23#循環(huán)水泵第 5根泵軸材料化學(xué)成份分析%MCMoNi__CuAl測試值0.071.591.27 0.001 0.02717.1112.000.480.22 0.076316≤0.08≤2.00 ≤1.00 ≤0.030 ≤0.035 16.00-19.00 1.80-2.50 11.00-14.00 5xC-0.70含量較高時(shí)會(huì )降低材料的韌性和塑性,對焊接性不槽下方部位,清楚看到泵軸最底部有加工螺紋,而斷利,易導致冷脆?？趧t在遠離底部螺紋的鍵槽圓弧交界處。中國煤化工2泵軸斷口宏觀(guān)形貌分析收稿EMYHCNMHG2.1 斷裂部位分析作者簡(jiǎn)介:鄭宏練( 1965-),男,高級工程師。從事核電材料與防腐本次泵軸斷裂部位(圖1)位于軸上端聯(lián)合軸鍵工作?！?6●化工設備與管道第45卷第2期載荷引起的疲勞斷裂失效。3泵軸斷口微觀(guān)形貌分析圖3為泵軸斷口中疲勞擴展的輝紋照片。- -般疲勞斷口上擴展輝紋條紋在低倍環(huán)境中是無(wú)法觀(guān)察到的，圖3照片是在2000倍的高倍電鏡中觀(guān)察到的。斷口上存在疲勞輝紋是疲勞斷口最為突出的特8年32征,從照片上可以判斷屬于韌性疲勞輝紋,相互平行斷裂部位等間距的輝紋垂直方向為裂紋擴展方向。圖1泵軸斷裂部位及局部結構示意圖2.2斷口宏觀(guān)形貌分析從圖2中可看到整個(gè)斷口分為兩個(gè)主要區域,較為平滑的裂紋擴展區和凹凸不平的最終斷裂區。在平滑的裂紋擴展區域里根據裂紋的擴展臺階條紋,發(fā)現有三個(gè)部位(圖2箭頭所指部位)。仔細觀(guān)察三個(gè)部位(裂紋1:軸外表面與鍵槽加工面交界處;裂紋2、裂紋3,軸斷口上方表面處)發(fā)現斷口表圖3斷口微觀(guān)形貌面有年輪花樣和壓痕標記等特征,這些特征顯示該4泵軸疲勞斷裂的主要影響因素分析斷口屬典型的疲勞斷口。這三個(gè)部位就是疲勞裂紋源形成的起裂部位。由于三個(gè)裂源擴展表面處于不根據前面泵軸斷口的宏觀(guān)形貌和微觀(guān)形貌特同的截面,因此,當裂源擴展至交界處形成了三個(gè)臺征,可確認泵軸斷裂主要是疲勞引起的。針對本次階,中間的臺階是三個(gè)裂源擴展的交界面而形成的泵軸的具體特，點(diǎn),以下幾個(gè)因素需要著(zhù)重分析:泵軸臺階。而斷口上方較淡的直線(xiàn)則是裂源2和裂源1材料的組織分布狀況及熱處理工藝是否恰當;泵軸交界處的臺階。第三個(gè)臺階是疲勞擴展區和最終斷材料表面裂源處的狀態(tài)是否正常;泵軸鍵槽處表面裂區形成的臺階,該臺階最終以剪切方式快速撕裂,和側面加工狀態(tài)是否完好。呈45°。4.1泵軸材料的組織分 布及熱處理工藝分析本次對裂源1和裂源2近斷口靠近軸表面處和遠離斷口處離軸中心部位進(jìn)行了材料金相組織分泵軸材料的組織為奧氏體+條狀鐵素體,奧氏體基體有孿晶存在,這表明材料是經(jīng)過(guò)固溶化處理的。本次發(fā)現奧氏體基體中析出了較多條狀分布的鐵素體,表明固溶熱處理溫度偏高或時(shí)間偏長(cháng),導致了大量的鐵素體析出。對條帶狀灰色的相進(jìn)行能譜分析,結果表明灰色條狀析出物主要元素為Cr和Fe,含鉻量高達24.9%,含Fe量高達67.13% ,因此圖2斷口宏觀(guān)形貌確認中國煤化工通過(guò)對泵軸斷口的宏觀(guān)形貌分析,可以確認本HC N M H G構件的疲勞性能的影響研究。且條狀鐵素體析出主要沿泵軸的軸向次3#循環(huán)水泵泵軸發(fā)生斷裂的主要形式是由交變分 布,而泵軸斷口面是垂直于條狀鐵素體分布方向。2008年4月鄭宏練。循環(huán)水泵泵軸斷裂原因分析及對策●47●因此可以認為本次泵軸疲勞斷裂與鋼中含有較多條金屬鈣硅酸鹽夾雜引起產(chǎn)生的,并在不同截面形成狀鐵素體的關(guān)系不大。多條相互平行的裂源，在交變載荷工況操作下使之4.2泵軸材料表面 裂源處狀態(tài)因素分析造成疲勞裂紋擴展。圖4a為軸鍵槽裂源處的形貌,可以看到裂源邊圖6為主斷口裂源下方部位外表面狀況。從圖緣處沒(méi)有凹坑腐蝕誘發(fā)因素,疲勞裂紋擴展臺階和6a中可以看到該處軸外表面存在明顯的塑性變形條紋清晰可見(jiàn)?；凭€(xiàn),中間部位外表面由于塑性變形造成材料表圖4b為軸鍵槽裂源局部放大1200倍的微觀(guān)面損傷引發(fā)外表面微裂紋。從圖6b可以看出,外表形貌,可看到裂源邊緣起裂處含有較多夾雜物,這些面明顯存在塑性擠壓變形特征,使材料損傷引發(fā)微夾雜通過(guò)元素能譜分析主要成份為0、C、Si、Ca、Fe。裂紋。其中Ca含量為3.11% ,Fe含量為26.9% ,Si含量為綜上所示,綜觀(guān)軸斷口附近軸外表面狀況可以1. 09%。因此可以確認這些夾雜物主要是鈣硅酸鹽發(fā)現在裂源部位,軸外表面都發(fā)生了很大的塑性變(CaOSiO2)。這類(lèi)夾雜物在鋼的凝固過(guò)程中,由于形,也就是說(shuō),第五根泵軸鍵槽處和裂源處與聯(lián)軸器冷卻速度較快,液態(tài)的鈣硅酸鹽來(lái)不及結晶,部分以?xún)缺砻姘l(fā)生了相對極小的振動(dòng)位移摩擦變形,使之夾雜形式保留在鋼中，這些鈣硅酸鹽夾雜在室溫下引發(fā)表面夾雜物開(kāi)裂,最終導致軸的疲勞裂紋擴展。不會(huì )變形,較脆。通過(guò)以上分析,本次泵軸發(fā)生疲勞裂紋擴展導同時(shí)裂源起裂處的斷口總體上呈韌窩狀特征，致最終斷裂失效直接原因是因為泵軸鍵槽部分的外這表明奧氏體材料具有較好的韌性和塑性,照片中表面發(fā)生了與聯(lián)軸器相互摩擦變形損傷,使軸外表看到的夾雜物是裂紋起裂的發(fā)源地,在疲勞裂紋源形面產(chǎn)生了較大的塑性流動(dòng)變形,加之軸表面存在大成和塑性變形過(guò)程中存在密切的關(guān)系。這是由于比量分布的橫向不變形的鈣硅酸鹽夾雜物,使之在界較容易變形的金屬在難以變形的夾雜物周?chē)苄粤髅嫔弦l(fā)疲勞裂紋的誘發(fā)源,在交變載荷作用下產(chǎn)動(dòng)時(shí),會(huì )產(chǎn)生很大的應力，使材料和夾雜物界面的聯(lián)生疲勞裂紋擴展。結斷裂形成微裂紋,使之成為疲勞裂紋擴展的裂源。綜上所述,引發(fā)疲勞裂源產(chǎn)生的誘發(fā)因素是材料表面存在較多的鈣硅酸鹽夾雜物,在泵軸受到載荷作用下產(chǎn)生表面塑性變形，從而使不變形的夾雜物周?chē)缑媾c塑性變形流動(dòng)產(chǎn)生不匹配,造成疲勞裂源的小裂紋產(chǎn)生。圖5鍵槽處泵軸外表面狀態(tài)形貌照片2聯(lián)電EIa.圍4泵軸鍵槽處裂源表面斷口形貌4.3泵軸鍵 槽處外表面狀態(tài)因素分析圖6鍵槽斷口下方泵軸外表面狀況圖5為裂源斷口的垂直軸外表面狀況，從圖5a5結論及建議中可以看出,緊靠主斷口下方的外表面存在多條相互平行的橫向微裂紋,并伴有變形損傷的特征。圖(1)化學(xué)成份分析結果表明泵軸材料牌號為5b為緊靠鍵槽邊緣的外表面狀況，從中可以看出多0Cr18Ni12Mn2Ti伯硅含母明顯偏高,這與鋼中含有條平行分布的橫向微裂紋,并可清晰的看到在這些一定中國煤化工。微裂紋之間含有鈣硅酸鹽夾雜物,表面沿軸向分布YHC N M H G用下導致的疲勞的條狀物主要是鐵素體相析出物。裂紋擴展造成的。以上分析可以驗證,泵軸表面上疲勞裂源是非(下轉第51頁(yè))2008年4月李仕。固體雜質(zhì)對成品油長(cháng)輸管道設備的損傷及防范措施●51●器內的雜質(zhì)及時(shí)清理出來(lái)。2.5優(yōu)化工藝操作調節方案2.4加強設 備的8常維護保養和日常巡檢工作過(guò)低或過(guò)高的流速對管道和管道設備都會(huì )產(chǎn)生沒(méi)有排污裝置的設備應制定-一個(gè)合適的排污計不利的影響,流速過(guò)低,流經(jīng)設備的油品中的雜質(zhì)容劃,定期對設備進(jìn)行排污。茂昆管道在出現管道設易沉淀出來(lái),沉積于設備內對設備造成損傷;流速過(guò)備被雜質(zhì)損傷的情況后,已加強了這方面的管理。高會(huì )導致湍流,沉積在管道底部的雜質(zhì)會(huì )被大量卷對裝有注脂孔的設備密封裝置定期注人潤滑起隨油品進(jìn)人設備內,每次較大幅度提高管道輸油脂,一來(lái)可以潤滑密封裝置內的傳動(dòng)件,二來(lái)可以防量時(shí),進(jìn)站過(guò)濾器就頻繁堵塞足以說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。止雜質(zhì)進(jìn)人密封裝置內。為防止過(guò)多的雜質(zhì)進(jìn)入主輸油泵出口平板閘閥當過(guò)濾器堵塞時(shí)要及時(shí)清洗過(guò)濾器,并檢查濾內,條件許可的話(huà),主輸油泵每月應切換- -次。網(wǎng)有無(wú)破損,若有破損,應立即更換濾網(wǎng)。茂昆管道3結束語(yǔ).在密度計泵(磁力離心泵)被進(jìn)人泵內的雜質(zhì)損壞后立即制定了有效的防范措施,規定密度計泵過(guò)濾綜_上所述，管內雜質(zhì)對管道設備的損傷形式主器在每次混油頭進(jìn)站之前進(jìn)行清洗,并且縮短密度要是堵塞刮傷和沖刷磨損。而應采取的預防措施計泵的運行時(shí)間,每次混油頭進(jìn)站前啟泵,混油頭過(guò)主要是防止雜質(zhì)進(jìn)人管道及設備內,同時(shí)采取辦法站后停泵(以前密度計泵是長(cháng)期不間斷運行的)。及時(shí)清除管道及設備內的雜質(zhì)。另外，通過(guò)技術(shù)改采取以上措施后,密度計泵的故障率已大大降低。造,改善設備性能,避免設備受到管內雜質(zhì)的損傷可成品油管道在正常運行- - 段時(shí)間后應根據管道以成為探討和研究的方向。運行情況安排時(shí)間進(jìn)行通球清管,清除管內雜質(zhì)及參考文獻.管壁結垢[51。新管道在水聯(lián)運結束后宜對在水聯(lián)運期間運行1]趙克中. 磁力驅動(dòng)技術(shù)與設備[ M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，時(shí)間最長(cháng)的主輸油泵進(jìn)行拆泵清污維護。水聯(lián)運期[2]李仕.貴陽(yáng)輸油站水擊池壓閥誤動(dòng)作原因分析及防范措施2003.間管內水中雜質(zhì)很多,主輸油泵容易在泵腔內沉積[J].管逍技術(shù)與設備,008,15(1) :2-3.大量泥沙鐵銹,如不及時(shí)清理,很可能會(huì )對泵造成損[3] 陸培文.調節閥實(shí)用技術(shù)[ M].北京:機械工業(yè)出版社,006.傷。4] 高慧,侯曉輝.管道球閥密封原理及泄漏分析[J].油氣儲運，認真巡檢,發(fā)現密度計泵(磁力離心泵)或主輸2006 ,25(3) :58-60.油泵機械密封沖洗管有發(fā)熱超標現象,須立即進(jìn)行[5] 楊筱蘅油氣管道安全工程[M]北京:中國石化出版社200拆檢清洗。(上接第47頁(yè))多平行微裂紋,導致軸加速斷裂的間接原因之一。(3) 泵軸材料組織為奧氏體+部分鐵素體,在建議:奧氏體基體上分布沿軸向條狀的鐵素體析出相,說(shuō)(1)在安裝泵時(shí)嚴禁強行組裝,以避免軸鍵槽明材料固熔處理時(shí)加熱溫度偏高或時(shí)間偏長(cháng)。處表面損傷。(4)導致本次軸疲勞斷裂的直接原因是軸表面(2)檢修期間要注意檢查葉輪部件是否有腐蝕存在較多的夾雜物,引起微裂紋引發(fā)大量平行的?，F象存在,同時(shí)注意檢查葉輪吸人口水流動(dòng)分布均勞源。勻狀態(tài),以避免汽蝕和漩渦引起振動(dòng)加劇現象出現。(5)針對本次軸發(fā)生的斷裂位置分析,葉輪上(3)聯(lián)軸器法蘭盤(pán)應采用全焊透結構,以避免部軸承下的法蘭盤(pán)脫開(kāi),軸承下在導流體內孔內向向下滑落。下滑落,從而導致第五根軸底部發(fā)生徑向方向擺動(dòng)，(4)嚴格控制材料的化學(xué)成份,尤其是硫、磷硅產(chǎn)生動(dòng)不平衡,引起軸底部振動(dòng)加劇,引發(fā)軸表面產(chǎn)元素,中國煤化工泵軸中硅元素偏生較大的塑性擠壓變形。這也是使之產(chǎn)生軸表面諸高。YHCN MH G要有-定的控制。