火电厂汽机给水泵断轴原因分析及措施
2020-3-20 来源：靖远第二发电 甘肃电力科学研究院 作者：周维尚 钱亚勇 李辉
摘 要：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：给水泵；主轴；断裂分析；疲劳；措施
1 、概述
2012 年 12 月，某发电厂 #2 机 B 给水泵发生泵轴断裂故障，泵轴非驱动端推力瓦和推力盘磨损烧毁，驱动端联轴器和液力耦合器顶死，故障给锅炉正常运行带来了不良影响。 为查明泵轴断裂原因，防止同类事故发生， 制定切实可行的预防措施，保证机组安全稳定运行，根据资料及试样对给水泵断轴原因进行了相关的试验检测化验。
2 、设备基本情况
该给水泵为双壳体多级卧式离心泵 ， 转速5357r/min，轴功率 4524kW，轴承形式为瓦块式推力轴承＋滑动轴承。事故发生时，给水泵轴转速由 4819r/min突升至 6040r/min， 给水泵的电流由 430.42A 上升至563.93A，推力瓦的温度由 68℃上升至 220℃，给水泵的振动由 80.12um 上升至 212.7um 左右。根 据 资 料 ， 给 水 泵 轴 材 料 为 17 -4PH(0Crl7Ni4CuNb)， 该材料为典型的马氏体沉淀硬化钢，固溶处理后的室温组织应为马氏体，17-4PH 的化学标准成分及力学性能见表 1，2。
表 1 泵轴材料化学标准成分表
表 2 泵轴材料力学性能表
3 、试验分析
3.1 断口宏观形貌分析
给水泵轴从叶轮键槽处断裂后分为两截，断裂部位宏观形貌如图 1，2 所示。 为非驱动端断轴形貌，断裂处直径约为 95mm，断裂处键槽上部宽度为12mm，深度为 5mm，长度约 33mm。 断裂处宏观检查发现裂纹两处， 裂纹 1 长度为 45mm， 深度约为12mm，裂纹开口宽度为 5mm；裂纹 2 长度为 30mm。如图 1，2 所示。
图 1 给水泵轴断裂宏观形貌
图 2 给水泵轴非驱动端
从断口看，轴断裂时没有塑性变形，断面几乎与轴垂直，呈脆性断裂特征。 整个断面分为三个区域，即疲劳源，疲劳裂纹扩展区、最终断裂区，断面各部位金属表面颜色差异不明显，无机械损伤及表面氧化痕迹。 疲劳源位于泵轴键槽侧边及端角部位，扩展区占据断面绝大部分的面积，最终断裂区位于疲劳源对侧偏向逆旋转方向位置。 断面疲劳源处存在明显的贝纹线，且贝纹线以键槽侧边为源呈凸起弧状向轴心逐渐扩展，表明此部位承载了交变应力幅度变化或载荷停歇等原因。 终断区有明显的平台，所占面积较小，说明轴无过载或过载很小，如图 3~5 所示。
图 3 给水泵轴断口宏观形貌
图 4 给水泵轴断口宏观形貌
图 5 给水泵轴断口断裂源宏观形貌
综合以上分析，可认为引起该转轴断裂的裂纹起始于轴键槽侧边应力集中部位，整个断口呈现疲劳断裂特征。 断裂面附近与其平行的另外两处裂纹深度不深，从轴表面向主断裂面倾斜发展，从断面形貌和开裂方向判断，是受到转轴断裂后从叶轮中拔脱时的局部弯曲应力而形成的。
3.2 材质成分分析
采用 SPECTRO 手提式射线荧光光谱仪器对泵轴断裂面进行光谱分析，分析结果表明该轴主要合金元素含量符合 17-4PH(0Crl7Ni4CuNb)标准化学成分范围要求，结果见表 3。
表 3 光谱分析结果（质量分数）%
3.3 硬度检测
采用 TH160 型里氏硬度计对轴断面及光杆部位进行硬度检测，结果见表 4。
表 4 给水泵轴断面及光杆部位硬度测试结果
从测试结果看， 轴硬度符合 17-4PH(0Crl7Ni4CuNb)钢经固溶＋时效处理后力学性能要求。
3.4 金相检验
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。 放大 500 倍的金相组织形貌如图 6，7 所示。
图 6 内部金相组织形貌 500×
从断面附近开裂部位组织中发现有点状及条状非金属夹杂物，如图 8，9 所示。
4 、分析结论
综合以上试验分析结果，可得出以下结论：
1） 给水泵轴断裂起源于键槽侧边应力集中部位， 泵轴键槽与键的配合间隙误差及局部的宏观、微观缺陷可能是导致裂纹源产生的重要原因，初始裂纹源形成后，在水泵运行过程中的交变应力作用下，由外表向周向及径向不断扩展，最终导致给水泵轴发生疲劳断裂。
2）从给水泵轴材料成分 、力学性能及金相组织检验情况分析， 泵轴所采用的材料与设计相符，力学性能及金相组织基本符合 17-4PH(0Crl7Ni4CuNb)固溶加时效处理后的要求，但存在组织不均匀，部分铁素体呈网状分布及组织中存在非金属夹杂物等现象，上述问题对裂纹源的形成及转轴的综合机械性能都会构成一定的影响。
5 、措施和建议
1）加强设备加工成品标准的验收和工艺控制 ，对原材料进行严格的入库检验。
2） 利用停机机会对同型号给水泵的芯包进行返厂做动平衡，避免设备在运行期间因平衡不好造成的振动。
3）加强机组其它给水泵运行过程中巡检力度 ，对有异常声响和振动的设备及时安排进行检查和维修。
4） 加强对此类转动设备制造及安装质量的监督检验力度，择机对其它相同型号给水泵轴键槽与键之间配合间隙进行检查，严格控制间隙误差。
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