某進(jìn)口型汽輪機(jī)主油泵驅(qū)動軸斷裂分析研究

趙廣勛+瞿麗莉+張小鋒

摘 要：某進(jìn)口型汽輪機(jī)主油泵驅(qū)動軸發(fā)生斷裂事故，從機(jī)組歷史數(shù)據(jù)查起，經(jīng)主油泵外觀檢查，解體檢查，歷史檢修情況檢查等步驟，分析認(rèn)為引起機(jī)組跳閘原因為主油泵故障使出口油壓下降，造成安全油壓失去，機(jī)組跳閘；主油泵故障原因為主油泵驅(qū)動軸斷裂；斷裂原因為驅(qū)動軸斷口部位無加工倒角，斷裂部位發(fā)生在軸端和法蘭R角處，在高速轉(zhuǎn)動中容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，成為薄弱部位，經(jīng)過長期運(yùn)行后材質(zhì)疲勞出現(xiàn)裂紋，最終裂紋擴(kuò)大造成斷裂；針對此給出了整改建議。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；主油泵；斷裂；分析；建議

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.051

0 前言

對整個汽輪機(jī)系統(tǒng)而言，汽輪機(jī)的主油泵是其主要組成部分，其主油泵的軸承一端由傳動，讓另一端轉(zhuǎn)動。其軸承在汽輪機(jī)主油泵上主要功能：第一是能夠提供給軸承一定的潤滑；第二為讓軸承能有時間進(jìn)行冷卻；第三發(fā)電機(jī)能夠得到其密封用油；汽輪機(jī)主油泵的軸承出現(xiàn)失常的主要類型有腐蝕、漏脂、剝落和斷裂[1]，其中斷裂對機(jī)組影響較大，所以專門研究斷裂原因并針對原因采取預(yù)防方案很有必要。

1 系統(tǒng)及事件簡介

某電廠配有國外進(jìn)口的汽輪機(jī)，主油泵驅(qū)動裝置由兩根泵軸構(gòu)成：空心軸（傳動軸）與實心軸（驅(qū)動軸），材質(zhì)為25Gr2MoV。實心軸一端與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用齒形聯(lián)軸器連接，另一端與空心軸采用緊力配合，且與調(diào)速齒輪用4個銷子，4個螺栓連接。空心軸上裝有主油泵葉輪，且空心軸與主油泵推力盤為一體加工制作，調(diào)速齒輪套裝在主油泵空心軸上，與空心軸采用緊力配合，并裝有止動銷。

事件發(fā)生前，機(jī)組負(fù)荷63.8MW，主蒸汽流量308t/h，工業(yè)抽汽流量75t/h，無任何操作，隨后機(jī)組跳閘，首出原因為：“發(fā)電機(jī)主保護(hù)動作”。機(jī)組停機(jī)后從歷史數(shù)據(jù)查看判斷為主油泵故障導(dǎo)致油壓低汽機(jī)跳閘，隨后對主油泵進(jìn)行了外觀和解體檢查。

2 歷史數(shù)據(jù)檢查

查閱汽機(jī)轉(zhuǎn)速、掛閘油壓等歷史曲線，機(jī)組跳閘前1秒汽機(jī)轉(zhuǎn)速下降至1046r/min，安全油壓降低至1.03MPa，機(jī)組一次調(diào)頻動作，查閱事故追憶記錄，“掛閘油壓失去”、“主汽門關(guān)閉信號”分別于事件前1s、事件發(fā)生時發(fā)出，事件發(fā)生時ETS系統(tǒng)首出“發(fā)電機(jī)主保護(hù)動作”機(jī)組跳閘，分析為“汽輪機(jī)安全油壓喪失”條件滿足，保護(hù)動作，聯(lián)跳發(fā)電機(jī)（汽輪機(jī)聯(lián)跳發(fā)電機(jī)大聯(lián)鎖邏輯為：“汽機(jī)主汽門關(guān)閉”或“掛閘油壓失去”聯(lián)跳發(fā)電機(jī)）。

3 主油泵外觀檢查

汽機(jī)投入盤車后，揭開前箱測速裝置處上蓋，發(fā)現(xiàn)測速齒輪無轉(zhuǎn)動，手動旋轉(zhuǎn)測速齒輪能自由轉(zhuǎn)動；測速齒輪壓蓋及緊固螺栓緊固完好，無斷裂、脫開現(xiàn)象，前箱內(nèi)無異物。

揭開主油泵聯(lián)軸器處上蓋，檢查主油泵驅(qū)動軸與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器螺栓無松脫、斷裂，外露驅(qū)動軸跟隨汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子一同轉(zhuǎn)動，根據(jù)現(xiàn)象初步判斷為油泵葉輪、測速裝置與油泵驅(qū)動軸脫開。

4 主油泵解體檢查

（1）解體主油泵后檢查發(fā)現(xiàn)，主油泵軸在一側(cè)發(fā)生斷裂，斷成軸、軸頭和法蘭三件，見圖1；

（2）主油泵驅(qū)動軸為整體加工，驅(qū)動受力端中空并有連接法蘭盤，斷裂處在驅(qū)動盤根部，斷口處結(jié)構(gòu)見圖2，斷口1和斷口2見圖3和圖4，三件斷裂樣品的斷面均不平整，為老舊疲勞斷面；

（3）斷裂部位發(fā)生在軸端和法蘭R角處，R角處無明顯倒角，見圖3和圖4；

（4）軸、軸頭和法蘭三件斷裂樣經(jīng)便捷式定量光譜檢測，成分基本相同[2，3]，鉻（Cr）含量1.65-1.97%，錳（Mn）含量0.46-0.51%，鉬（Mo）含量0.28-0.30%，釩（V）含量0.14-0.22%。

5 以往檢修情況檢查

最近一次檢修為3年前，設(shè)置檢修項目為“主油泵軸向推力間隙調(diào)整，主油泵聯(lián)軸器找中心”。未設(shè)置金屬監(jiān)督檢查及驗收項目，文件包中也未對主油泵傳動軸套、驅(qū)動軸各部套的檢修工藝標(biāo)準(zhǔn)作出明確要求。

6 原因分析

（1）主油泵軸斷面三件，斷面不平整，均為老舊疲勞斷面，時間先后順序無法判斷。主油泵驅(qū)動軸驅(qū)動力矩主要靠斷口1處環(huán)形母材傳輸，檢查斷口1、2部位均無加工倒角，斷裂部位發(fā)生在軸端和法蘭R角處，在高速轉(zhuǎn)動中容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中[4，5]，成為薄弱部位，經(jīng)過長期運(yùn)行后材質(zhì)疲勞出現(xiàn)裂紋，最終裂紋擴(kuò)大造成斷裂。

（2）機(jī)組大小修時，雖曾進(jìn)行過檢查，但因傳動軸與驅(qū)動軸為兩層套裝結(jié)構(gòu)，宏觀檢查無法檢查到斷裂部位，而驅(qū)動軸受結(jié)構(gòu)影響僅能進(jìn)行常規(guī)檢測，也未能發(fā)現(xiàn)潛在裂紋、損傷等缺陷。

（3）分析事件經(jīng)過為：斷口1處由裂紋發(fā)展至斷裂，主油泵失去驅(qū)動力，而驅(qū)動軸仍在汽輪機(jī)大軸帶動下高速運(yùn)轉(zhuǎn)，傳動軸與驅(qū)動軸在斷口處無配合間隙，所以尚傳輸一定力矩，在此狀況下斷口2處瞬間承受巨大傳動力矩，造成驅(qū)動軸端部再次斷裂。

7 建議

針對主油泵驅(qū)動軸結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，存在應(yīng)力集中區(qū)，并且力矩傳遞處結(jié)構(gòu)較為薄弱的問題，建議確定驅(qū)動軸材質(zhì)及處理工藝，按照實際測繪尺寸重新加工驅(qū)動軸，修改完善斷裂部位應(yīng)力集中區(qū)設(shè)計（斷口1處將原空心孔加工為實心軸，斷口2處由直角切削調(diào)整為圓角過度，詳見附圖剖面線區(qū)域）。驅(qū)動軸加工完成無損檢測合格后，參照原裝配工藝裝配主油泵轉(zhuǎn)子，裝配完成后做動平衡，檢測合格后嚴(yán)格按工藝標(biāo)準(zhǔn)復(fù)裝主油泵。

針對主油泵驅(qū)動軸斷裂部位處于R角處，機(jī)組檢修時未能對R角內(nèi)部進(jìn)行檢測，僅進(jìn)行了宏觀表面檢查，未能發(fā)現(xiàn)潛在裂紋、損傷等缺陷的問題。以后機(jī)組檢修時，采取有效措施加強(qiáng)對主油泵轉(zhuǎn)軸及聯(lián)軸器等部位的檢查（增加轉(zhuǎn)軸無損金屬檢測項目）。

參考文獻(xiàn)：

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[4]何成.汽輪機(jī)主油泵軸斷裂分析[J].理化檢驗-物理分冊，2005，41（12）：636-638.

[5]沙菲.泵軸斷裂失效分析[J].金屬熱處理，2015，40（增刊）：342-344.

作者簡介：趙廣勛（1966-），男，陜西扶風(fēng)人，工學(xué)學(xué)士，高級工程師，主要研究方向：大型火電機(jī)組熱工控制系統(tǒng)及生產(chǎn)管理研究。endprint