火電廠汽機給水泵（bèng）斷軸原因分析及措施
2020-3-20 來源：靖遠第二發電 甘肅電力科學研究院 作（zuò）者：周維尚 錢亞勇 李輝（huī）
摘 要：汽（qì）機給水泵作為火電廠（chǎng）發電機組的重要輔（fǔ）機，對保障（zhàng）機組的安全（quán）經濟運（yùn）行至關重要。 給水泵軸突然斷裂是一種少見的嚴重設備（bèi）故障，本文通過對（duì）某電廠斷軸樣品的試驗檢測（cè），對汽機給水泵主軸斷裂原因進行了（le）全麵分析，並提出了相關預防措施和（hé）建（jiàn）議。
關鍵詞：給水泵；主軸；斷裂分析；疲勞；措施
1 、概述
2012 年（nián） 12 月，某（mǒu）發電廠 #2 機 B 給水泵發生泵軸斷裂（liè）故障，泵軸非驅動端推力瓦和推力盤磨損燒毀，驅動端（duān）聯軸器和液力耦合（hé）器頂死，故障給鍋爐正常運行帶來了不（bú）良（liáng）影響。 為查明泵（bèng）軸斷裂原因，防止同類事故發生， 製定切實可行的預防措施，保證機組安全穩定運行，根據資料及試樣對給水泵斷軸原因（yīn）進行了相關的試驗檢測化驗（yàn）。
2 、設備基本情況
該給水泵為雙殼體多級臥式離心泵 ， 轉速5357r/min，軸功率（lǜ） 4524kW，軸承形式為瓦塊式推力軸承＋滑（huá）動軸承。事故發生時，給水泵軸轉速由 4819r/min突升至 6040r/min， 給水泵的（de）電流由 430.42A 上升至563.93A，推力瓦的溫（wēn）度由 68℃上升至 220℃，給水（shuǐ）泵的（de）振（zhèn）動由 80.12um 上升至 212.7um 左右。根 據 資（zī） 料 ， 給 水 泵 軸（zhóu） 材 料 為 17 -4PH(0Crl7Ni4CuNb)， 該材料為典型的馬氏體沉澱硬化鋼，固溶（róng）處理後的室溫（wēn）組織應為馬（mǎ）氏體，17-4PH 的化學標（biāo）準成（chéng）分及力學性能見表 1，2。
表 1 泵軸材料化學標準成分表（biǎo）
表（biǎo） 2 泵軸材料力學性能表
3 、試驗分析
3.1 斷口宏觀形（xíng）貌分析
給水泵軸從葉輪鍵槽處斷裂後分為兩截（jié），斷裂部位宏（hóng）觀形貌如圖 1，2 所示。 為非驅動端斷軸形貌，斷裂處直徑約為 95mm，斷裂處鍵槽上（shàng）部（bù）寬度為12mm，深度為 5mm，長度約 33mm。 斷裂處宏觀檢查發現裂紋兩處， 裂紋 1 長度為（wéi） 45mm， 深度約為（wéi）12mm，裂紋開口寬度為 5mm；裂紋 2 長度為（wéi） 30mm。如圖（tú） 1，2 所示。
圖 1 給水泵（bèng）軸斷裂（liè）宏觀形貌（mào）
圖 2 給水泵軸非驅動端
從斷口（kǒu）看，軸斷裂時沒有塑性變形，斷麵（miàn）幾乎（hū）與軸垂（chuí）直，呈脆性（xìng）斷裂特征。 整個斷麵分為三個區（qū）域，即疲勞源，疲勞裂紋擴展區、最終斷裂區，斷麵各部位金屬表麵顏色差異不明顯（xiǎn），無機械損傷及表麵氧化痕跡。 疲勞源位於泵軸（zhóu）鍵槽側（cè）邊及端角部（bù）位，擴展區占據斷麵絕大部分的麵積，最終斷裂區位於疲勞源對側偏向逆旋轉方向（xiàng）位置。 斷麵疲勞源處存在明顯的貝紋線（xiàn），且貝紋線以鍵槽側邊為源呈凸起弧狀（zhuàng）向軸（zhóu）心逐漸擴展，表明此部位（wèi）承（chéng）載了交變應力幅度（dù）變化或載荷停（tíng）歇等（děng）原因（yīn）。 終斷區有明（míng）顯的（de）平台，所占麵（miàn）積較小，說明軸無過載或過載很小，如圖 3~5 所示。
圖 3 給水泵軸斷口宏觀形（xíng）貌
圖（tú） 4 給水泵軸斷口宏觀形貌
圖 5 給水泵軸斷口斷裂源宏觀形貌（mào）
綜合以上分析，可認（rèn）為引起該轉軸斷裂的裂紋起始（shǐ）於軸鍵槽側邊應力集中部位，整個斷口呈現疲勞斷裂特征。 斷裂麵附近與其平行的另外兩處裂紋深度不深，從軸表麵（miàn）向主斷裂麵傾斜發展，從斷麵形貌和開裂方向判斷，是受到轉（zhuǎn）軸斷裂後從葉輪中拔（bá）脫時的局部彎曲應力而形成的（de）。
3.2 材質成分分析
采用 SPECTRO 手提（tí）式射線熒光光譜儀器對泵軸斷裂麵進行光譜分析，分析結果表明該軸主要合金元素含量符合 17-4PH(0Crl7Ni4CuNb)標準化學成分範圍要求，結（jié）果見表 3。
表 3 光譜分析結果（質（zhì）量分數）%
3.3 硬度檢測
采用 TH160 型裏（lǐ）氏硬度計對軸斷麵（miàn）及光杆（gǎn）部位進行硬度檢測，結（jié）果見表（biǎo） 4。
表 4 給水泵軸斷麵及光（guāng）杆部位硬度測試結果
從測試結果（guǒ）看， 軸硬度符合（hé） 17-4PH(0Crl7Ni4CuNb)鋼（gāng）經固溶＋時效處理後力學性能要求。
3.4 金相檢驗（yàn）
對泵軸斷麵上取下的（de）試樣進行（háng）金相組織檢驗，結果顯示泵軸組織基本附（fù）合（hé）要求， 為回（huí）火（huǒ）馬氏體+島塊狀 δ 鐵（tiě）素體組織，δ 鐵素體組織含量低於（yú） 10%，但鐵素體區（qū）域分（fèn）布及大小（xiǎo）欠均勻，少數區域鐵素體有呈網狀分布的趨勢（shì）。 放大 500 倍的金相組織形貌如圖 6，7 所示。
圖（tú） 6 內部金相組織形貌（mào） 500×
從斷麵附近開裂（liè）部位（wèi）組織中發現有點狀及條狀非金屬夾雜（zá）物（wù），如圖 8，9 所示。
4 、分析結（jié）論
綜合以上試驗分析結果，可得出以下（xià）結論：
1） 給水（shuǐ）泵軸斷裂起源於鍵槽側（cè）邊應力（lì）集中部位， 泵軸鍵槽與鍵的配合間隙誤差及局部的宏觀、微觀缺陷可能是導（dǎo）致裂紋源產生的（de）重要原因，初始裂紋源形成後，在水泵運行過程中的交（jiāo）變應力作用下（xià），由外表向周向及徑向不斷擴展，最終導致給水泵（bèng）軸（zhóu）發（fā）生疲勞斷裂。
2）從給（gěi）水泵軸材（cái）料成分 、力學性能及金相組織檢驗情況分析， 泵軸所采用的材料與設計相符，力學性能及金相組織基本符合 17-4PH(0Crl7Ni4CuNb)固溶加時效處理後的要求，但存在組織不（bú）均勻，部分鐵素體呈（chéng）網狀分布及（jí）組織（zhī）中存（cún）在非金（jīn）屬夾（jiá）雜物等現象，上述問（wèn）題對裂紋源的形成及轉軸的綜合機（jī）械性能都會構成一定的影響。
5 、措施和建議
1）加強（qiáng）設備加工成品（pǐn）標準的驗（yàn）收和工藝（yì）控製（zhì） ，對原材料進行嚴格的入庫檢驗（yàn）。
2） 利用停機機會（huì）對同型號給水泵的芯（xīn）包進行返廠做動平衡，避免設備（bèi）在運行期（qī）間因（yīn）平衡不（bú）好造成（chéng）的振動。
3）加（jiā）強機（jī）組其它給水泵運行過（guò）程（chéng）中巡檢力度 ，對有異常聲（shēng）響和振動的設備及時安排進行檢查和維修。
4） 加強對此類轉動（dòng）設（shè）備製造及安（ān）裝質量的監督檢驗力度，擇機對其它相同型號給水泵軸鍵（jiàn）槽與鍵之間配合間隙進行（háng）檢查，嚴格控製間隙誤差。
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