隋成敏
中国核工业二三建设有限公司 北京 101300
摘要：在某工程运行生产过程中，离心泵轴发生了断裂事件。通过外观检查、断口分析等手段对断裂原因进行诊断。结果表明，离心泵轴材质为35CrMoV，基体组织为回火索氏体加少量粒状贝氏体，力学性能远优于设计参数。究其断裂原因，主要是由于现场人员违规操作，导致低压进水端腔室G未被输送介质充满，使轴套等动静转子部件之间发生干摩擦，热量无法及时扩散，引起轴表面温度剧升而发生软化；当轴表面的抗剪强度低于轴表面所承受的最大剪应力时，首先就会在轴表面产生裂纹进而在剪应力的作用下发生扩展直至轴断裂。
关键词：大型离心泵；轴断裂原因；措施
引言
某大型离心泵在运行过程中，泵轴发生断裂，泵轴断面磨损严重，严重影响装置的正常生产。为查明断裂原因，对断裂泵轴的各项性能指标进行全面检验和分析。
1.轴受力分析
(1)由于叶轮前后盖板不对称产生的轴向力F轴。
(2)叶轮重力FG和叶轮外周压力分布不均引起的水力径向力F水组成的径向力F径。假设水力径向力的方向与叶轮重力方向相同(实际上有一较小夹角,但这样计算偏于安全)。
(3)电机通过联轴器传递的扭矩Mn。
(4)齿轮联轴器由于安装误差及不均匀磨损引起的附加弯矩M′,其方向不定,故图1中未标。
图1 轴受力简图
(5)叶轮、联轴器等部件不平衡重力GC引起的离心力FC,其方向是变化的,故图中未标。
(6)轴承支承力NA,NB及轴向力FA,FA与F轴大小相等,方向相反。
其中NA、NB、FA对轴的强度校核无作用,不作计算。
轴大多是从装叶轮的轴肩处断裂,选取此截面为计算截面来校核轴的强度。此截面上有弯曲应力σw,拉应力σb及剪应力τ,其计算公式如下：
2.断口分析
图2呈现了本次断裂泵轴断口及相关联部件外观形貌。从图2(a)可以看出:轴的断口形貌主要是同心圆弧，且很平整。外侧轴套断口同样存在同心圆弧，同时还有部分(约占1/4)断口为粗糙颗粒状形貌，这可能是由于轴套断裂后继续旋转，在对摩擦过程中发生脱落而形成的断口形貌。因为轴套随轴一起顺时针高速旋转，两种形貌的界限较为规则清晰(如图2(a)中A所示)，而且另外一块也处于“摇摇欲坠”之势(如图2(a)中B所示)，根据已有经验问可以推断，此处裂纹扩展路径为沿晶界扩展。如图2(b)所示，轴套螺母靠近轴套端、轴套内外侧以及轴本体的螺纹均存在高温变色的现象，而且变色范围离断口距离明显不同，轴套内侧(如图2(b)中D所示)比外侧(见图2(b)中C所示)长，由此可以认为轴套内侧和外侧的高温颜色形成原因是不一样的。
3.焊合区泵轴表面裂纹扩展路径分析
由于泵轴断口遭到磨损破坏，断口信息丢失，这给失效分析增加了一定难度。这里为了探究泵轴断裂裂纹扩展路径，将断口沿图2(a)中A处用线切割剖开，均分两半，如图3所示。因为轴和轴套被焊合在一起了，所以只能沿图3中线框C取下轴表面纵向金相试样，用于观察轴表面裂纹扩展情况，如图4所示。腐蚀试剂为4%硝酸酒精溶液。图4(a)为轴表面金相试样抛光、腐蚀后的效果图;图4(b)为图4(a)中箭头D所示区域在金相显微镜下放大50倍的形貌。由于轴套材质(14Cr17Ni2)熔化后充满裂纹而不被4%硝酸酒精溶液腐蚀，呈白亮色，正好显示轴断裂初期裂纹萌生和扩展路径。根据裂纹路径形貌可以推断，裂纹以穿晶扩展为主要形式扩展，所以轴的断裂方式极可能是穿晶断裂。
图3
图4
4.断裂原因分析
1)本次离心泵轴发生断裂的直接原因是低压进水端腔室G(如图5所示)未被输送介质充满，使轴套等动静转子部件之间发生干摩擦，热量无法及时扩散开，引起轴表面温度剧升而发生软化;当轴表面的抗剪强度低于轴表面所承受的最大剪应力时，首先就会在轴表面产生裂纹进而在剪应力的作用下发生扩展直至轴发生断裂。
2)操作人员违规操作是引起泵轴断裂的根本原因。
3)泵轴基体材质确为35CrMoV，显微组织和力学性能均满足设计(JB/T6908-2006)要求。
4)泵轴断裂方式极有可能是穿晶断裂。
图5
5.结论与措施
根据材料分析结果可以发现，泵轴基体材质的化学成分、非金属夹杂物含量控制、基体的金相显微组织和力学性能均满足设计要求，即泵轴本身的性能和品质不存在问题。而且非金属夹杂物、断裂位置的结构等不存在夹杂物严重超标、应力集中等现象。但是泵轴断裂的位置和断口形貌以及相关部位的外观存在明显的异常。因为泵轴本体的力学性能和品质满足设计(JB/T6908-2006)要求，如果是由于过载导致泵轴驱动端承受的扭矩过大，使轴表面承受的最大剪切应力超过泵轴材质的力学性能而发生断裂失效，那么由泵轴结构和受力情况分析可知断裂位置应该位于泵轴驱动端的小直径段(即图6中的NP段)，而这里断裂位置位于大直径段(即图6中的MN段)，这显然是不合逻辑的。由此可以排除过载或泵轴力学性能低劣导致泵轴断裂的可能。
图6泵轴驱动端到断裂处附近的结构和尺寸
从断口金相组织异常、轴和轴套被熔化焊合、断口附近相关部件的外观存在明显的高温变色、轴套存在软化磨损的迹象可以推断泵轴断裂位置附近在发生断裂失效前一定承受了很高的温度，也就是说此时图5中的腔室G并非处于充满水状态，而是处于抽空(或存有空气的)状态。这样轴套随着轴在电机驱动下做顺时针高速旋转运动，与低压进水段处的间隙密封垫发生干摩擦产生大量的热量，而热量不能得到及时的扩散、聚集在轴套上继而传递给轴，使轴套和轴的表面温度剧升而使轴表面性能发生软化，此时轴的表面抗剪强度下降，当抗剪强度低于轴表面所承受的最大剪应力时，就会首先在轴表面产生裂纹(如图4所示)进而在剪应力的作用下发生扩展直至轴发生断裂，最后轴套也会发生断裂。然而由于泵轴发生断裂后操作人员并未及时停车，导致轴断口发生对摩使温度进一步升高，从而导致泵轴和轴套断口发生熔化(并焊合到一起)。也就是说引起泵轴断裂的直接原因是由于起泵时图5中腔室G处于抽空状态(或存有空气的状态)，未被输送介质(水溶液)完全充满，导致动静转子部件发生对摩产生的热量无法及时传递，从而使泵轴表面温度急剧升高并发生软化，最终在扭矩或剪应力作用下发生断裂。图5中腔室G未被输送介质(水溶液)完全充满主要有三种情况:一是进口压力太低，导致腔室中无法被输送介质充满或被抽干；二是由于操作人员违规操作，在起动主机之前未及时打开(甚至未打开)进口阀；三是在起用备用泵之前，泵内各腔室(也包括腔室G)未被输送介质充满。由于是停主泵、换备用泵，后两种情况可能性更大(均属于违规操作)。
结语
泵轴的断裂属于沿晶脆性断裂，主要失效原因为材料内部夹杂引起的力学性能下降。泵轴组织存在带状偏析和夹杂物导致的材料力学性能下降，加速了断裂失效的发生。泵轴断裂处为轴径突变的轴肩处，在满足安装工艺的条件下可适当增大此处的过渡圆角半径，并提高表面加工质量。
参考文献
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