摘要：针对某凝结水泵断轴事故，通过对凝结水泵的联轴器位置的强度与配合进行重新核算，并从工艺与装配角度分析泵轴断裂的原因。分析得出，调整套筒联轴器配合间隙、优化与保证装配泵体与转子的对中性并改善轴加工工艺可以有效改善泵轴断裂情况。
关键词：凝结水泵；联轴器；泵轴；断裂
引言
新一轮的能源革命加快电力供给侧变革，低碳环保、节能增效与资源优化是电力企业的目标，这对设备稳定性提出了更高要求。为了节能降耗大型火电厂普遍采用变频调速凝结水泵，根据机组负荷实时调节凝结水泵转速，从而节能增效。凝结水泵运行中常见缺陷有：a、泵运行期间振动大，尤其在在临界转速区间内；b、泵筒体发生裂纹或者联接螺栓发生松动或断裂，造成泵结构破坏、振动突增等；c、轴系或联轴器发生故障等。现本文主要就某凝结水泵联轴器位置断轴故障进行分析。
1 凝结水泵断轴故障
某600MW超临界发电机组，其凝结水泵型号为10LDTN-6PJ，为六级筒式离心泵，泵的轴向推力由泵本体承受，首级叶轮为双吸叶轮，泵轴由上下两段组成，上、下轴之间由套筒联轴器连接。凝结水泵满载轴功率1509.7kW，最大功率1863kW。下轴含组件总重594kg。泵轴材质为40Cr，扭转许用切应力为63～73MPa（其中定位键的许用切应力30MPa），抗拉强度686MPa，泵轴单位许可扭转角度小于0.5°/m。筒型联轴器内径与泵轴外径配合为0.02mm的设计间隙配合，扭矩主要通过联轴器与泵轴间的定位键来传递。
故障发生时，凝结水泵运行时推力轴承温度上升达58℃，停泵检修发现首级叶轮的轴套、导轴承磨损严重，第二级叶轮壳轴承压盖螺栓部分脱落，上下轴套筒联轴器定位键磨损，套筒联轴器与上下轴的配合间隙为0.08mm，更换轴套、导轴承并修复定位键后回装。凝结水泵正常运行一段时间后，电流突然从140A上升至190A，推力轴承温度从33℃上升到36℃，运行声音和振动未发现异常，停泵检修发现上轴联轴器处断裂，宏观观察断面发现存在疲劳裂纹扩展区，靠近泵轴外边缘，如图1所示。此外，首级叶轮和密封环磨损严重，其它几级均存在不同程度磨损。
式中：τ 为扭转应力，Mpa；T1为恒速扭矩，MN?m；T2为变速时扭矩，MN?m；PK为传递轴功率，KW；n为转轴转速，r/min；J为转轴及其组件转动惯量，kg?m2；α为转轴的角加速度，rad/s2；WP 为转轴的扭转界面系数，m3。
通过强度计算上下轴的联轴器部位在正常运行工况下，泵轴强度满足凝结水泵的最大出力和变速工况下要求，轴的变截面区域，主轴截面强度约为小截面（与锁环连接处的最小截面）强度的1.25倍，但该截面正常状态不承受扭矩传递。凝结水泵组件处拉应力主要是泵叶轮与轴重量、叶轮各级之间压差平衡力，首级叶轮为单级双吸结构两侧平衡力很小，在平衡工况下，计算联轴器承受的拉应力为43Mpa，远远小于抗拉强度，满足强度要求，裕度大。综上述分析联轴器处轴的强度设计满足设备要求。
2.2 联轴器与轴配合方式分析
根据凝结水泵联轴器的类型，套筒式联轴器，其传递泵轴的扭矩主要是依靠套筒联轴器与轴之间的过盈配合的预紧力产生他们之间的表面摩擦力实现，联轴器的键主要是定位与承受少量过剩的扭矩。根据过盈连接的设计计算公式（2），计算最大传动功率时最小过盈量为0.053mｍ[2]。现场实际测量配合间隙0.08mm，不符合强度设计要求，需要进行间隙调整。
δmin为最小有效过盈量，mm；pf为配合面的径向压强，MPa；d为配合的公称直径，mm；E1、E2分别为被包容件和包容件材料的弹性模量，MPa；C1、C2分别为被包容件和包容件的刚性系数。
2.3 凝结水泵泵轴故障影响因素分析
凝结水泵联轴器强度影响因素不仅和材料结构强度、配合相关，与其装配工艺、现场装配整体结构也密切联系。影响凝结水泵上下轴联轴器结构强度的主要因素有：A、凝结水泵变频运行时振动大小，影响凝结水泵振动的主要是转子窜动量、泵体导叶连接与对轮中心偏差等因素[3]，变频运行时变化载荷下振动大会降低泵轴抗疲劳性能，易产生疲劳裂纹[4]；B、凝结水泵泵体各级导叶泵壳的连接可靠性。因为泵为整体的悬挂式布置，泵体与转子需要保持良好对中，正常情况下转子径向力很少，轴套不易磨损，能维持泵的长期运行，如果泵体导轴承失效或连接螺栓松动、断裂会造成转子与泵体之间产生较大径向偏移，从而对轴产生交变弯矩，碰磨加剧轴套磨损，径向间隙变大，交变弯矩增加，如此恶性循环；C、泵轴联轴器位置轴径变化的过渡加工工艺。轴径突变往往会造成应力集中区，尤其在承受交变弯矩时，易造成疲劳损坏，大大降低承受因对中性降低导致的交变弯矩能力。
3 故障处理与总结
综上述分析，凝结水泵泵轴断裂的原因主要是套筒联轴器与轴为间隙配合，同时由于泵体对中性降低对上下轴连接处产生交变弯矩，使得泵轴轴径变化区域因为应力集中而疲劳损坏。针对性改善措施主要有：a、套筒联轴器与轴之间为过盈配合，该凝结水泵过盈量选择为0.03～0.06mm，保证摩擦力传递主要扭矩；b、严格按照技术要求，保证转子与泵体的对中心，调整合适的窜动值与中心，并且通过电焊等防松方式加强泵体各级之间螺栓连接的可靠性；c、改善泵轴变径过渡处加工工艺，增加过渡圆角半径，减少应力集中，强化抗疲劳强度。凝结水泵按照求改造后，运行稳定，未出现类似缺陷，对同类型设备问题有一定借鉴意义。
参考文献
[1]王三民. 机械设计计算手册[M].北京：化学工业出版社，2012：232-240.
[2]机械工程师手册编委会. 机械设计师手册[M].3版.北京：机械工业出版社，2007：280-283.
[3]朱德强，王辉.1000MW机组凝结水泵振动原因分析与处理[J].华电技术，2017，39（8）：61-63.
[4]鲁玉龙，薛守洪，张世军，等.火电厂凝结水泵变频调速后泵轴断裂失效分析[J].电力技术，2010，19（7）：69-72.
论文作者:邓勇,邓荣才
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第29期
论文发表时间:2018/3/7
标签：联轴器论文; 水泵论文; 叶轮论文; 强度论文; 套筒论文; 弯矩论文; 扭矩论文; 《建筑学研究前沿》2017年第29期论文;