閉式泵軸斷裂失效原因分析與對策

摘 要：閉式循環(huán)水泵泵軸材質(zhì)3Cr13，屬于中碳馬氏體不銹鋼。閉式循環(huán)水泵在運行過程中，泵軸突然發(fā)生斷裂，導致閉式循環(huán)水泵停運，影響了正常生產(chǎn)。經(jīng)過對斷裂的泵軸進行了斷口形貌檢驗、光譜檢驗、金相組織檢驗和機械性能檢驗，經(jīng)過綜合分析，最后得出結(jié)論，泵軸斷裂屬于疲勞斷裂，產(chǎn)生疲勞斷裂原因是泵軸材料存在沿晶分布的網(wǎng)狀碳化物，分割了金屬基體，對強度影響不大，但會使材料脆性增加，沖擊韌性大幅降低。

關(guān)鍵詞：泵軸；斷裂失效；疲勞斷裂；網(wǎng)狀碳化物

1 概述

某電廠閉式循環(huán)冷卻水泵型號SX400-460，臥式離心式，流量2200m3/h，揚程45米，轉(zhuǎn)速1450rpm。閉式循環(huán)冷卻水泵作用是將介質(zhì)（除鹽水）加壓后，輸送到各有關(guān)設(shè)備的熱交換器，再返回閉式循環(huán)冷卻水泵入口，形成閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。該系統(tǒng)的補水來自閉式循環(huán)冷卻水膨脹水箱。

閉式循環(huán)水泵泵軸材質(zhì)3Cr13，屬于中碳馬氏體不銹鋼，因含碳較高，故具有較高的強度、硬度、耐磨性和淬透性，一般是在調(diào)質(zhì)狀態(tài)組織回火索氏體狀態(tài)下使用。泵軸在轉(zhuǎn)動過程中受到扭轉(zhuǎn)力、支撐力、彎曲力和推力等，受力情況比較復雜，同時軸系還會振動。閉式循環(huán)水泵在運行過程中，泵軸突然發(fā)生斷裂，導致閉式循環(huán)水泵停運，影響了正常生產(chǎn)。

2 斷裂原因分析

為了查清閉式循環(huán)水泵泵軸斷裂原因，對斷裂的泵軸進行了斷口形貌檢驗、光譜檢驗、金相組織檢驗和機械性能檢驗，詳細分析如下。

2.1 斷口形貌檢驗

泵軸斷口附近沒有明顯塑性變形，泵軸斷裂發(fā)生在鍵槽處，鍵槽出現(xiàn)破裂損壞，軸橫斷面上靠近鍵槽邊緣處顏色較深（見圖1），可觀察到貝紋線形貌，該處為裂紋源區(qū)，在電子掃描顯微鏡下可見清晰的疲勞條紋形貌（見圖2）。由此可見，泵軸屬于疲勞斷裂，首先軸鍵槽處產(chǎn)生小裂紋，形成疲勞源，然后泵軸在轉(zhuǎn)動中的交變載荷作用下，裂紋逐漸擴展，最后擴展至臨界尺寸，不能承受交變載荷的作用，導致突然斷裂，在瞬斷區(qū)形成過載斷裂形態(tài)。

2.2 光譜檢驗

取泵軸光譜試樣，在SPECTRO TEST光譜分析儀上進行化學成分試驗分析，結(jié)果見表1，該軸化學成分含量與GB/T 1220-2007《不銹鋼棒》中3Cr13的要求相符，說明泵軸材料化學成分正常。

2.3 金相組織檢驗

在泵軸斷面鍵槽附近沿軸縱向截取金相試樣，制樣后使用FeCl3鹽酸溶液進行腐蝕。從圖3可見，裂紋率先萌生于軸鍵槽處表面，組織為均勻的回火索氏體組織，晶界上出現(xiàn)了異常的網(wǎng)狀分布的碳化物。在電子掃描顯微鏡下，可清晰觀察到晶界上的斷續(xù)的網(wǎng)狀碳化物形態(tài)（見圖4）。泵軸出現(xiàn)晶界呈網(wǎng)狀分布的碳化物一般是因為原材料在鍛造或退火過程中，加熱溫度過高或保溫時間過長，造成奧氏體晶粒粗大，并在緩慢冷卻中，在奧氏體晶界上析出二次碳化物，呈網(wǎng)狀分布。網(wǎng)狀分布碳化物的出現(xiàn)削弱了晶粒間的聯(lián)系，破壞了金屬的聯(lián)系性，會使軸的機械性能尤其是沖擊韌性急劇下降。

2.4 機械性能檢驗

沿泵軸縱向截取拉伸試樣和U口沖擊試樣，在CMT5105電子萬能試驗機上進行材料拉伸性能試驗，在JB-300C沖擊試驗機上進行夏比擺錘沖擊試驗，結(jié)果見表2，材料的沖擊吸收功在10.2-16.3Aku2/J之間，均小于24Aku2/J，表明泵軸材料沖擊韌性較差，不符合標準要求，原因是金相組織中存在的沿晶網(wǎng)狀分布碳化物。

2.5 斷裂原因分析

綜上所述，泵軸斷裂屬于疲勞斷裂。閉式循環(huán)水泵運行中泵軸在復雜受力條件下，首先在鍵槽形狀突變處產(chǎn)生裂紋，裂紋在軸交變載荷下經(jīng)疲勞擴展至軸心部形成了最終宏觀開裂。

鍵槽處會出現(xiàn)裂紋主要是因為泵軸材料存在沿晶分布的網(wǎng)狀碳化物，分割了金屬基體，對強度影響不大，但會使材料脆性增加，沖擊韌性大幅降低，使泵軸容易產(chǎn)生裂紋和疲勞斷裂。3Cr13出現(xiàn)沿晶網(wǎng)狀碳化物一般是因為原材料的鍛造或者退火溫度過高所致，該組織如果沒有經(jīng)過其它熱處理工藝（如球化退火）進行改善，就會保留在最終成型的泵軸中，從而留下泵軸失效隱患。

另一方面，因軸鍵槽處為形狀突變區(qū)，易于產(chǎn)生應(yīng)力集中，在材料存在缺陷的情況下該處率先出現(xiàn)了開裂。

3 對策

為了防止泵軸出現(xiàn)沿晶分布的網(wǎng)狀碳化物，防止泵軸出現(xiàn)疲勞斷裂，保證閉式循環(huán)水泵安全穩(wěn)定運行，特制定以下應(yīng)對策略：

（1）泵軸制造過程中，應(yīng)嚴格執(zhí)行熱處理工藝，防止出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物。當金相組織中出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物時，可采用正火或退火工藝。當網(wǎng)狀碳化物不嚴重，可以采用退火工藝。當存在較嚴重網(wǎng)狀碳化物時，可以正火1100±10℃空冷，再根據(jù)鋼種及硬度進行回火以消除應(yīng)力，而后按正常熱處理工藝進行調(diào)質(zhì)。

（2）加強對泵軸質(zhì)量檢驗驗收工作。對泵軸進行金相檢驗、硬度檢驗、光譜分析，必要時取樣進行機械性能試驗（特別是沖擊韌性試驗），及時發(fā)現(xiàn)不合格泵軸，防止不合格泵軸投入使用導致事故。

（3）優(yōu)化泵軸鍵槽形狀，采用圓滑過渡結(jié)構(gòu)，降低應(yīng)力集中程度，防止在鍵槽處產(chǎn)生裂紋。

（4）加強對運行循環(huán)水泵泵軸維護保養(yǎng)和檢修工作，調(diào)整好循環(huán)水泵泵軸動平衡，控制軸系振動在標準范圍內(nèi)，利用停機機會對泵軸進行滲透檢測，特別注意鍵槽處。

（5）加強設(shè)備巡檢，注意閉式循環(huán)水泵振動、軸承溫度等。

4 結(jié)束語

閉式循環(huán)水泵作為電廠輔機設(shè)備之一，其正常運行對機組安全運行具有重要意義，我們必須保證泵軸質(zhì)量合格，滿足使用要求。一旦循環(huán)水泵泵軸制造熱處理工藝執(zhí)行不良，就很有可能導致泵軸金相組織中出現(xiàn)沿晶界分布的網(wǎng)狀碳化物，就會導致泵軸脆性增加，沖擊韌性大幅下降，再加上泵軸鍵槽處應(yīng)力集中，運行中泵軸就容易出現(xiàn)疲勞斷裂，導致循環(huán)水泵停運，影響發(fā)電機組正常生產(chǎn)。

參考文獻

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作者簡介：程強（1987-），男，山東泰安人，漢族，本科學歷，助理工程師，單位：臨渙中利發(fā)電有限公司，從事電廠金屬監(jiān)督工作。