（同煤大唐塔山第二发电有限责任公司 山西大同 036011）
摘要：本次发生断裂失效的水泵泵轴的材质为40Cr和1Cr13，主要材质是中碳马氏体不锈钢。闭式水泵在循环过程中具有就较为重要的作用，一旦出现泵轴断裂和失效的情况，就会直接造成水泵循环系统的停运，这也给正常的生产环节产生较大的不良影响。本次研究对闭式水泵泵轴发生断裂的整个流程进行分析，并重点对形成断口的外貌、机械性能、金相组织以及光谱等进行检验，检验完成后，对相关结果进行统筹分析。通过综合分析，发现本阶段的五次闭式水泵泵轴断裂事故的发生均属于疲劳断裂，分析其原因有泵轴的实际材料与设计时规定的材料不相符，泵轴材料中含有，沿晶分布的网状碳化物，这也进一步提升了金属材料的脆性，而韧性也大幅降低。此外，轴承运转过程中的受力情况较为复杂也是导致泵轴不堪重负出现断裂的原因。
关键词：闭式水泵；泵轴；断裂失效；原因；预防
一、概述
2016年12月17日#4A闭式水泵驱动端轴承声音异常，驱动端轴承水平振动为0.07mm，温度正常。12月18日#4A闭式水泵更换泵轴恢复备用。调取#4A闭式水泵运行曲线统计，从2016年7月5日#4机闭式水系统调试至#4A闭式水泵第一次断轴累计运行时间为68天。
2016年12月29日#4A闭式水泵声音异常，驱动端轴承轴向振动为0.3mm，解体检查泵轴断裂。12月18日#4A闭式水泵第一次断轴检修后，至第二次泵轴断裂连续运行时间为11天。
2016年11月30日#4B闭式水泵驱动端轴承声音异常，驱动端轴承水平振动为0.08mm,温度正常。12月8日#4B闭式水泵更换泵轴，投入运行。调取运行曲线统计，从2016年7月5日#4机闭式水系统调试至#4B闭式水泵11月30日第一次断轴,累计运行时间为52天。
2017年1月4日#4B闭式水泵声音异常，解体检查#4B闭式水泵泵轴断裂。2016年12月8日#4B闭式水泵第一次断轴检修后，至第二次泵轴断裂累计运行时间为 16天。
2017年2月9日发现#4B闭式水泵内有异音，自由端机封泄漏增大。解体检查确定#4B闭式水泵泵轴断裂。2月17日检修完毕，投入运行。2016年1月24日#4B闭式水泵第二次断轴检修后，至第三次泵轴断裂累计运行时间为 15天。
一、断裂泵轴情况描述
五根泵轴出现轴断裂部位基本一致，均在叶轮与轴键槽结合的最大应力部位，断裂性质相同。是典型的泵轴疲劳导致。最初，细小的裂纹从键槽出位置开始生成（疲劳发生区），之后裂纹逐渐向中心区域延伸、扩大（疲劳发展区），最终导致泵轴瞬间断裂（疲劳脆断区）。见图1。此外，本次调查还发现，轴材料与设计材料不相符也是泵轴断裂的重要因素。最初的设计材料为2Cr13，而实际生产的材料为则40Cr，在强度以及力学性能等方面40Cr要明显低于差于2Cr13。
图1 断轴出现部位的具体情况
二、闭式水泵泵轴断裂失效的原因分析
通过对#4机闭式泵断轴时间统计表进行分析，#4机闭式泵断轴发生时间在进入11月以后，且在机组停运后。闭式水系统中的主机冷油器退出运行，造成闭式水泵运行时出口压力高，流量小，且水泵运行时存在汽蚀和憋泵情况。加装再循环管道后，已稳定运行22天。泵出口压力下降到0.61MPa，出口流量以及电机电流均明显增加，且泵两端轴承振动值有所下降。此外，#4机组闭式水泵在低流量恶劣工况下比#3机组闭式水泵多运行2个月，导致两台机组闭式水泵出现不同运行结果，这也是#3机闭式泵没有出现断轴的主要原因。在对#4机闭式水泵进行实际流量测量时发现，实测流量明显小于设计流量，是典型的大马拉小车现象。
此外，双吸离心泵的泵轴除了要进行扭矩的传递以外，还承受水流的轴向力和径向力[1]。由于泵轴本身属于对称结构，所以水力产生的轴向力基本可以忽略。径向方向受力与泵运行工况有关，当泵运行在设计点，水力径向力基本为转子重力；但是当泵运行点偏离设计点时，水力径向力会随着偏离程度显著增加。最终泵轴承受的径向力为叶轮重力和水力径向力的叠加。泵运行点位于设计点流量的38%左右，远远偏离设计工况[2]。在泵轴运行过程中，水力径向力与转子重力叠加为一个合力以一个固定的方向作用在泵轴上。这个力量不会直接将泵轴压断，但是由于泵轴高速旋转，径向力的方向固定，就使得泵轴上施加了一个交变载荷，这个交变载荷就是疲劳断裂的主要原因。
最后，闭式泵为卧式双吸中开泵 ，采用的单蜗壳单流道技术，且铸造工艺比较粗糙，虽然造价便宜，但是不利于泵运行工况调整时的稳定运行。
三、应对闭式水泵泵轴断裂失效的防范治理措施
首先，在泵轴的制造过程中，应当根据相关操作标准对泵轴进行热处理，避免由于操作适当导致泵轴在生产过程中出现网状碳化物，如果在生产过程中已经出现网状碳化物，则应通过退火或者去火工艺进行修复，在网状碳化物不是十分严重的情况下，可以通过退火工艺进行相应的处理，如果网状碳化物的出现已经达到一个较为严重的状态，则应使用正火进行空冷处理[3]，以上处理完成之后还需要根据泵轴自身钢材的种类以及硬度等适当进行回火处理，以此来达到消除应力的目的，以上操作完成之后，就可以根据正常的热处理工艺对泵轴进行后续的加工处理；其次，还应强化对于泵轴生产质量的控制以及验收，根据泵轴生产的相关标准进行加强对泵轴质量进行验收[4]。对泵轴进行验收过程中，主要的检验项目包括：金相检验、硬度检验以及光谱分析，保证泵轴的各项金相指标均符合相关的生产要求；此外，可以使用双蜗壳双流道的结构、更换流量匹配的闭式泵，以此消除泵轴在运行过程中其径向力对与轴本身所产生的疲劳损伤；在闭式水泵的出口位置的母管上加装再循环的管道，这样一来，可以很大程度上增加水泵本身的出口流量，进而改善水泵运行情况。在对闭式泵进行解体检修的过程当中，还应当严格按照相关的泵轴检修工艺标准进行检修工作，以此保证检修质量。在发现设备出现异常情况时，还应及时与运行人员取得联系，进而对相关设备进行切换、调试，以免其相关设备出现更大的缺陷，同时尽量做好止损工作[5]。
结束语
闭式水泵是电厂循环系统中较为重要的辅机设备之一。其在整个机组运作的过程中具有重要的作用，所以在水泵运作过程中，必须保证其泵轴质量符合相关规定的要求，进而保证其能够正常运行。在水泵泵轴的制作过程中，一旦热处理的相关工艺水平不达标，很有可能导致泵轴本身的金相组织产生沿晶分布的网状碳化物，这样一来，泵轴自身的脆性就会明显增加，而其对于冲击的韧性则会相应减弱。在泵轴运行过程中，由于其键槽的处应力较为集中，长时间的运行很容易使得水泵泵轴发生疲劳断裂的情况，由此造成的水泵停运则会导致发电机组无法正常运行。所以在水泵运作过程中，应根据其可能会出现断裂的情况进行针对性较强的维护管理，降低其出现断裂的概率，提升闭式水泵的工作效率。
参考文献
[1]乜龙威,孙维连,苏珂等.农用水泵轴断裂故障分析与工艺改进[J].农业工程学报,2015,(4):103-106.
[2]曹勇.高压循环水泵断轴原因分析与解决措施[J].山西冶金,2016,39(3):126-127.
[3]程强,王若民.闭式泵轴断裂失效原因分析与对策[J].金属加工（热加工）,2016,(13):29-31.
[4]乜龙威,孙维连,苏珂等.40Cr钢水泵轴断裂故障分析[C].//第十四届全国金相与显微分析学术年会论文集.2014:291-294.
[5]李志霞,史伟,王顺花等.水泵轴断裂原因分析[J].热处理技术与装备,2016,37(3):33-36.
论文作者:于存河
论文发表刊物:《电力设备》2017年第14期
论文发表时间:2017/9/4
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