火電廠汽機給水泵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 作者：周維尚 錢亞勇 李輝
摘 要：汽機給水泵作為火電廠發電機組的重要輔機，對保障機組的安全經濟運行至關重要。 給水泵軸突然斷裂是一種少見的嚴重設備故障，本文通過對某電廠斷軸樣品的試驗檢測，對汽機給水泵主軸斷裂原因進行了全面分析，并提出了相關預防措施和建議。
關鍵詞：給水泵；主軸；斷裂分析；疲勞；措施
1 、概述
2012 年 12 月，某發電廠 #2 機 B 給水泵發生泵軸斷裂故障，泵軸非驅動端推力瓦和推力盤磨損燒毀，驅動端聯軸器和液力耦合器頂死，故障給鍋爐正常運行帶來了不良影響。 為查明泵軸斷裂原因，防止同類事故發生， 制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進行了相關的試驗檢測化驗。
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 4524kW，軸承形式為瓦塊式推力軸承＋滑動軸承。事故發生時，給水泵軸轉速由 4819r/min突升至 6040r/min， 給水泵的電流由 430.42A 上升至563.93A，推力瓦的溫度由 68℃上升至 220℃，給水泵的振動由 80.12um 上升至 212.7um 左右。根 據 資 料 ， 給 水 泵 軸 材 料 為 17 -4PH(0Crl7Ni4CuNb)， 該材料為典型的馬氏體沉淀硬化鋼，固溶處理后的室溫組織應為馬氏體，17-4PH 的化學標準成分及力學性能見表 1，2。
表 1 泵軸材料化學標準成分表
表 2 泵軸材料力學性能表
3 、試驗分析
3.1 斷口宏觀形貌分析
給水泵軸從葉輪鍵槽處斷裂后分為兩截，斷裂部位宏觀形貌如圖 1，2 所示。 為非驅動端斷軸形貌，斷裂處直徑約為 95mm，斷裂處鍵槽上部寬度為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 45mm， 深度約為12mm，裂紋開口寬度為 5mm；裂紋 2 長度為 30mm。如圖 1，2 所示。
圖 1 給水泵軸斷裂宏觀形貌
圖 2 給水泵軸非驅動端
從斷口看，軸斷裂時沒有塑性變形，斷面幾乎與軸垂直，呈脆性斷裂特征。 整個斷面分為三個區域，即疲勞源，疲勞裂紋擴展區、最終斷裂區，斷面各部位金屬表面顏色差異不明顯，無機械損傷及表面氧化痕跡。 疲勞源位于泵軸鍵槽側邊及端角部位，擴展區占據斷面絕大部分的面積，最終斷裂區位于疲勞源對側偏向逆旋轉方向位置。 斷面疲勞源處存在明顯的貝紋線，且貝紋線以鍵槽側邊為源呈凸起弧狀向軸心逐漸擴展，表明此部位承載了交變應力幅度變化或載荷停歇等原因。 終斷區有明顯的平臺，所占面積較小，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貌
圖 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
綜合以上分析，可認為引起該轉軸斷裂的裂紋起始于軸鍵槽側邊應力集中部位，整個斷口呈現疲勞斷裂特征。 斷裂面附近與其平行的另外兩處裂紋深度不深，從軸表面向主斷裂面傾斜發展，從斷面形貌和開裂方向判斷，是受到轉軸斷裂后從葉輪中拔脫時的局部彎曲應力而形成的。
3.2 材質成分分析
采用 SPECTRO 手提式射線熒光光譜儀器對泵軸斷裂面進行光譜分析，分析結果表明該軸主要合金元素含量符合 17-4PH(0Crl7Ni4CuNb)標準化學成分范圍要求，結果見表 3。
表 3 光譜分析結果（質量分數）%
3.3 硬度檢測
采用 TH160 型里氏硬度計對軸斷面及光桿部位進行硬度檢測，結果見表 4。
表 4 給水泵軸斷面及光桿部位硬度測試結果
從測試結果看， 軸硬度符合 17-4PH(0Crl7Ni4CuNb)鋼經固溶＋時效處理后力學性能要求。
3.4 金相檢驗
對泵軸斷面上取下的試樣進行金相組織檢驗，結果顯示泵軸組織基本附合要求， 為回火馬氏體+島塊狀 δ 鐵素體組織，δ 鐵素體組織含量低于 10%，但鐵素體區域分布及大小欠均勻，少數區域鐵素體有呈網狀分布的趨勢。 放大 500 倍的金相組織形貌如圖 6，7 所示。
圖 6 內部金相組織形貌 500×
從斷面附近開裂部位組織中發現有點狀及條狀非金屬夾雜物，如圖 8，9 所示。
4 、分析結論
綜合以上試驗分析結果，可得出以下結論：
1） 給水泵軸斷裂起源于鍵槽側邊應力集中部位， 泵軸鍵槽與鍵的配合間隙誤差及局部的宏觀、微觀缺陷可能是導致裂紋源產生的重要原因，初始裂紋源形成后，在水泵運行過程中的交變應力作用下，由外表向周向及徑向不斷擴展，最終導致給水泵軸發生疲勞斷裂。
2）從給水泵軸材料成分 、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)固溶加時效處理后的要求，但存在組織不均勻，部分鐵素體呈網狀分布及組織中存在非金屬夾雜物等現象，上述問題對裂紋源的形成及轉軸的綜合機械性能都會構成一定的影響。
5 、措施和建議
1）加強設備加工成品標準的驗收和工藝控制 ，對原材料進行嚴格的入庫檢驗。
2） 利用停機機會對同型號給水泵的芯包進行返廠做動平衡，避免設備在運行期間因平衡不好造成的振動。
3）加強機組其它給水泵運行過程中巡檢力度 ，對有異常聲響和振動的設備及時安排進行檢查和維修。
4） 加強對此類轉動設備制造及安裝質量的監督檢驗力度，擇機對其它相同型號給水泵軸鍵槽與鍵之間配合間隙進行檢查，嚴格控制間隙誤差。
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