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摘要：油泵转子泵油工作时，在转子台阶叶轮配合处断裂。文章采用SEM扫描电镜、EDS能谱分析仪、光学显微镜等对断裂部位进行了失效分析对泵轴转子的断裂原因进行了探讨,从而找出其断裂原因,并对抽油泵轴用管的生产工艺提出了改进意见。结果表明：该油泵转子泵油工作时，受到与透平转子相同振动频率的交变应力和扭转载荷作用，同时在泵壳和油箱约束下的有限区域做强迫振动，在转子直径最小的过渡R圆角处形成了应力集中，最终在过载瞬间发生疲劳开裂。
关键词：油泵转子；失效分析
1 概述
某电厂2#机油泵转子泵油工作时，在转子台阶叶轮配合处发生断裂。油泵转子断裂失效前，机组开缸大修过一次，同时检修主油泵跳动、间隙值，均符合图纸要求。至断裂失效前，运行反映机组振动良好，无异常情况出现{[1],[2],[3]}。现场主要情况为：
（1）断裂发生于转子台阶叶轮配合处（如图1-1红色方框所示），断裂表面平滑；
（2）断口边缘存在锈迹，润滑油已浸入转子裂纹；
（3）叶轮转子轴颈配合处轴台阶圆角R0.4，过度角几乎为直角，较尖锐；
（4）转子断口瞬断区的两断面发生了相对扭转，瞬断区尖端两断面发生相对摩擦并呈现出光滑平面；
（5）现场浮动轴承有磨损痕迹、左端盖有轻微变形，应为转子疲劳断裂前发生弯曲，与轴瓦刮擦所致，主油泵其它部件良好。
为进一步确认转子断裂发生的原因，对断裂转子进行了化学成分分析、力学性能检测、金相组织检查、SEM扫描电镜分析和EDS能谱分析等。转子材料为30Cr2Ni4MoV，执行标准为JB/T1265-2002。
图1-1 油泵转子断裂位置图
2实验结果
取样位置及方法设定后。对转子本体试样分别进行了化学成分分析、材料力学性能检查、显微组织检查、宏观低倍组织检查、断口形貌分析等。
2.1 化学成分检查
油泵转子化学成分检查结果分析，引导的结果表明，油泵转子化学成分符合JB/T1265-2002标准要求。
2.2 力学性能测试
转子力学性能检测结果中，其中材料硬度测试区做了定性分析后，发现力学性能测试结果表明材料的力学性能指标均满足JB/T1265-2002要求。
2.3 金相组织检查
在金相试样进行打磨抛光后，使用Axiovert 40MAT光学显微镜对试样进行非金属夹杂物检查，径向和轴向的非金属夹杂物照片进行导出。使用4%硝酸酒精对试样进行腐蚀后，用Axiovert 40MAT光学显微镜进行显微组织和晶粒度检查，显微组织形貌进行分析对比，最终出具宏观低倍检查结果和金相检查结果。
失效油泵转子的金检查结果显示，显微组织、晶粒度、径向及轴向非金属夹杂物含量和宏观低倍检查结果均满足JB/T1265-2002标准要求。
2.4 断口形貌观察
切割分区后的断口宏观形貌中，进行分析后，将断口分为1-6个观察区，从断口的宏观照片反映信息显示，转子发生了典型的高周疲劳断裂，并呈现出多源特征，最终扩展至靠近轴周向表面以下10mm左右区域发生瞬间失稳断裂。发现断口呈现出明显的疲劳源区和延展特征，转子的断裂裂纹源区位于此轴颈过渡倒角R处，并沿转子径向向芯部扩展。
断口形貌中，试验发现断面平直，基本呈平面特征。断口的光学照片和SEM照片显示的形貌显示，断口在交变载荷作用下呈现出步进式扩展，并可见清晰的疲劳辉纹。
4区的断口形貌中，通过试验发现，断口呈现出平直的扩展特性，其中一侧所示断口表面分布球状颗粒，采用EDS成分分析发现Mo元素含量极高，并结合颗粒的分布特征，分析认为其极有可能是电火花线切割加工时，冷却液附带钼丝烧损物附着形成，分析结果见图2-1。
图2-1 断口4区表面球状颗粒物EDS分析结果
图2-2所示为5区&6区断口形貌观察照片，这两个区域断口表现特征均为疲劳裂纹扩展的形貌特征。
图2-2 断口5 & 6区SEM形貌a) 5区；b) 为6区
图2-3为断口3区形貌图，该区断口由平直状发展为凸凹不平的起伏状，表明该部分是断口发生瞬间断裂的瞬断区。从瞬断区整体表现为韧性断裂，存在大量的韧窝，但在最后断裂点位置附近呈现出沿晶脆性断裂特征。
图2-3 断口3区SEM形貌
3 分析与讨论
综合前述检测，可知油泵转子材料合格。
图2中的断口形貌观察结果表明，断口源区无明显腐蚀应力痕迹，叶轮与转子装配区过渡区半径R=0.8mm，设计控制此区域半径为R=0.4mm。从疲劳裂纹的扩展路径分析，油泵转子断裂失效为低应力集中剪切裂纹萌生，裂纹受交变应力和扭转载荷作用不断扩展疲劳断口，最终在过载瞬间断裂失效。裂纹发生与扩展如图3-1所示。
图3-1 油泵转子断裂发生扩展复原图
4结论
（1）该油泵转子的化学成分、力学性能和金相组织检查结果均符合JB/T1265-2002标准要求。
（2）该油泵转子泵油工作时，受到与透平转子相同振动频率的交变应力和扭转载荷作用，同时在泵壳和油箱的约束下在有限区域做强迫振动，在转子直径最小的过渡R圆角处形成了应力集中，最终在过载瞬间发生疲劳开裂。
（3）针对上述失效可能原因，建议增加此区域过渡圆角R半径，降低该台阶区域应力集中效应；同时加强监测类似机组油泵泵体的振动情况，以判定该类型机组油泵转子的振动幅值是否超标，以便设计后续进一步改良设计。
参考文献
[1]黄秋波;表面硬化齿轮最佳硬化参数的确定[J];鞍山钢铁学院学报;2015年01期.
[2]梁波;G4335V钢冷脆转变温度分析[J];兵器材料科学与工程;2010年07期.
[3]郑有才,刘玉娥;60Si2Mn钢的冲击磨料磨损试验[J];兵器材料科学与工程;2017年10期.
论文作者:张小伟
论文发表刊物:《基层建设》2019年第24期
论文发表时间:2019/12/9
标签：转子论文; 断口论文; 油泵论文; 形貌论文; 金相论文; 应力论文; 裂纹论文; 《基层建设》2019年第24期论文;