摘要：现阶段，随着社会的发展，我国的智能化建设的发展也突飞猛进。汽机给水泵作为火电厂发电机组的重要辅机，对保障机组的安全经济运行至关重要。给水泵轴突然断裂是一种少见的严重设备故障，本文通过对某电厂断轴样品的试验检测，对汽机给水泵主轴断裂原因进行了全面分析，并提出了相关预防措施和建议。
关键词：电站锅炉；给水泵前置泵轴；断裂原因分析
引言
某电厂机组给水泵启动过程中发生给水泵前置泵轴断裂失效故障，对断口表面进行宏观检测、金相检测、化学成分分析、力学性能及显微组织检测。结果表明：泵轴材料在生产加工过程中热处理不当，泵轴推力盘轴头锁母螺纹根部存在较大的应力集中；给水泵前置泵启停及运行过程中负荷变化频率较大，使得螺纹根部承受较大载荷，3种因素共同作用造成泵轴推力盘轴头锁母螺纹根部萌生裂纹并逐渐扩展，以致整体断裂失效。
1给水泵概况及出现的问题
某电厂给水泵型号为FK5D32（DG600-240Ⅱ），前置泵型号为FA1D56A。前置泵轴直径为30mm，材质为2Cr13。该厂机组小修后启动给水泵，启动过程中给水泵前置泵轴自由端轴封有漏水现象，随后对给水泵前置泵进行轴封解体处理，发现该给水泵前置泵轴推力盘轴头锁母的螺纹根部断裂。
2给水泵前置泵轴断裂试验分析
2.1宏观形貌分析
对断裂的给水泵前置泵轴进行宏观形貌观察，发现给水泵前置泵轴断裂位置位于轴体推力盘轴头锁母螺纹根部的应力集中区，断口表面整体较为平整，未见明显的塑性变形；断口处未观察到明显的腐蚀产物及腐蚀痕迹，也未见明显的机械损伤；断口上初始断裂区、裂纹扩展区等特征区域清晰可辨。
2.2断口微区检测与分析
利用扫描电子显微镜（SEM）对给水泵前置泵轴断口各区域进行检测，断口初始裂纹在轴头锁母的螺纹根部萌生，并以沿晶断裂为主，晶粒尺寸较大；裂纹扩展区的断裂形貌具有河流花样，根据河流流淌方向可以推测裂纹扩展方向，即裂纹扩展区的断流形貌具有解理断裂+沿晶断裂特征。从断口整体的宏观形貌和微观断裂特征来看，给水泵前置泵轴材料脆性较大，为脆性断裂。
2.3显微组织检测与分析
利用HITACHIS-3700N型扫描电子显微镜进行显微组织检测，取样位置为给水泵前置泵轴断口附近，给水泵前置泵轴断口横截面为马氏体组织，晶粒为0.5~1级，晶粒极为粗大。此外，在轴头锁母的螺纹部位还存在多条微裂纹缺陷，这些微裂纹在螺纹根部处开裂，与轴中心线成45°分布，并以穿晶+沿晶断裂的方式扩展。
3断裂原因分析
对以上试验结果进行分析，确定给水泵前置泵轴断裂原因如下。（1）2Cr13材料经正确的淬火加回火热处理工艺后，应当具有良好的韧性及强度，而断裂的前置泵轴金相组织为粗大的马氏体组织，断口处具有沿晶断裂的特征，说明对该材料进行热处理时没有严格按照要求把控热处理工艺。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆例如淬火回火加热温度过高或保温时间较长，造成晶粒尺寸过大，并且在回火过程中有可能出现回火脆性现象，导致其韧性变差。（2）泵轴推力盘轴头锁母螺纹根部存在较大的应力集中。应力集中一般出现在物体形状有明显变化的区域，例如沟槽以及刚性约束处。泵轴推力盘轴头锁母螺纹根部在长期运行过程中承受的弯曲载荷和扭转载荷较大，使得螺纹根部局部区域的应力显著增大，导致在应力集中的螺纹根部产生裂纹。（3）给水泵前置泵启停及运行过程中负荷变化较大，螺纹根部承受较大的载荷，裂纹在负荷频繁变化中不断扩展，其材料力学性能大大下降，当其材料强度不足以满足其使用强度的要求时，就会发生断裂。以上3种因素共同作用使得给水泵前置泵轴推力盘轴头锁母螺纹根部萌生裂纹，并逐渐扩展，导致前置泵轴整体断裂失效。通过试验分析，明确了此次前置泵轴断裂失效的主要原因，为了防止该类故障再次发生，提出如下建议：（1）对同类型给水泵进行安全排查，发现此类问题及时处理；（2）严格把控设备材料制造工艺，确保设备材料的组织及性能符合标准要求；（3）避免过于频繁地启停机，防止泵轴承受异常应力，发生断裂失效。对泵轴断面上取下的试样进行金相组织检验，结果显示泵轴组织基本附合要求，为回火马氏体+岛块状δ铁素体组织，δ铁素体组织含量低于10%，但铁素体区域分布及大小欠均匀，少数区域铁素体有呈网状分布的趋势。经调查，给水泵厂家提供的水泵入口压力为１．０ＭＰａ，而该电厂补水除氧器运行压力为０．１４７～０．３５ＭＰａ，即给水泵正常运行时入口压力低于厂家要求的压力。另外，设计补水除氧器正常运行时的温度为１３６℃，也就是说，设计给水泵入口温度也为１３６℃。但给水泵使用说明书中提到的设计温度和给水泵入口温度最高为１０４℃，因给水泵入口压力不足，且进入给水泵内的介质水温高于给水泵使用说明书中提供的最高介质温度，造成水泵腔室内出现轻微汽化，泵体腔室内有少部分气泡无法带走，在水泵运行过程中气泡挤压破裂瞬时产生极大的冲击力，即水泵产生气蚀现象。水泵气蚀引发水泵振动，而振动会导致泵轴径向跳动量过大，致使机械密封出现泄漏。水泵运行过程中产生的气泡被带到密封槽处，由于密封槽出现泄漏，气泡很容易进入密封槽部位的轴表面，从而作用于已疲劳开裂的轴断面，使断面发生气蚀。在断轴非驱动端侧距断口１５ｍｍ处横向切取一圆截面试样，再在其心部（包括亮圈部位）和表面截取块状试样，经磨制、抛光和４％（体积分数）硝酸酒精溶液侵蚀后在光学显微镜下观察。近表面显微组织为回火索氏体＋铁素体＋魏氏组织＋屈氏体，少量区域铁素体呈网状分布，魏氏组织从原奥氏体晶界上生长出来，呈针状插入回火索氏体中，屈氏体呈黑色网状此处回火索氏体较少，进一步验证其硬度较心部和表面硬度偏低的结果。心部显微组织为回火索氏体＋铁素体＋魏氏组织＋屈氏体。魏氏组织的出现使调质钢的力学性能大大恶化，尤其是使钢的强度、冲击韧度显著降低。屈氏体为淬火不完全组织，在晶界上产生，这种组织的综合力学性能与全淬火组织的相比相差很大，尤其是强度和韧性指标。
结语
（１）断裂给水泵轴存在网状铁素体、魏氏组织和沿晶界分布的屈氏体组织缺陷，使钢的强度和韧性不足，在驱动端密封槽应力集中区产生裂纹，在交变应力作用下，轴发生疲劳断裂。（２）给水泵厂家在水泵选型中，未考虑到给水泵入口压力、温度与补水除氧器运行的压力、温度参数不一致的情况，造成水泵在运行时出现气蚀现象，加速了轴的断裂。（３）建议在水泵轴热处理后对轴端面进行里氏硬度测试，必要时进行现场显微组织检验；设备应严格按运行规程及设计参数运行，杜绝设备超温、超压运行；将中继水泵入口水温调整在１０４℃以下。
参考文献：
[1]李莹，刘高远，张立新.某汽车车轮半轴断裂失效分析[J].失效分析与预防，2007（2）：40-44.
[2]雷旻，梁益龙，万明攀，等.减速机高速齿轮轴断裂失效分析[J].金属热处理，2007（增刊）：234-238.
[3]马小明，李靖.汽轮机调速器轴断裂失效分析[J].热加工工艺，2012，41（4）：204-206.
论文作者:韩文建
论文发表刊物:《电力设备》2019年第4期
论文发表时间:2019/7/8
标签：给水泵论文; 断口论文; 组织论文; 根部论文; 螺纹论文; 裂纹论文; 水泵论文; 《电力设备》2019年第4期论文;