技術(shù)供水泵膜片聯(lián)軸器螺栓斷裂原因分析

黃志峰，王　樂

（中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 511400）

0　前言

近年來，聯(lián)軸器連接螺栓斷裂的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[1-5]。據(jù)報(bào)道在轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)中60%的故障都與不對中有關(guān)，因?yàn)樵谝欢l件下轉(zhuǎn)子處于不對中狀態(tài)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的次諧波響應(yīng)和高次諧波響應(yīng)。高洪濤[1]等建立了膜片聯(lián)軸器耦合轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，研究了不對中膜片聯(lián)軸器耦合的轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)固有特性的影響。邵萬珍等[2]對冷卻塔風(fēng)機(jī)機(jī)組的疊層膜片聯(lián)軸器連接螺栓斷裂原因分析發(fā)現(xiàn)，螺栓根部的退刀槽因加工質(zhì)量差造成應(yīng)力集中，加上材料內(nèi)部有夾雜物和聯(lián)軸器安裝問題使之發(fā)生疲勞而斷裂。尤磊等[3]對噴淋泵組的聯(lián)軸器螺栓進(jìn)行分析，認(rèn)為是螺栓強(qiáng)度高、硬度高、鋼中存在殘留的氫等因素綜合作用造成斷裂，屬于氫脆斷裂。胡國安[4]對汽輪機(jī)主油泵聯(lián)軸器螺栓斷裂原因分析，認(rèn)為汽輪機(jī)主軸與主油泵轉(zhuǎn)動(dòng)軸的中心不正和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子存在較大的不平衡量，使機(jī)組在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，聯(lián)軸器的振動(dòng)大，膜片和螺栓受力狀況不斷惡化，長期在疲勞和磨損狀態(tài)下工作，從而導(dǎo)致斷裂失效。崔正強(qiáng)等[5]分析了循環(huán)水泵泵軸聯(lián)軸器螺栓斷裂原因，認(rèn)為螺栓頭部與螺桿的連接部位沒有過渡圓弧以及螺栓未進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，導(dǎo)致其材料強(qiáng)度和硬度偏低，加之泵軸軸系周期性振動(dòng)的小應(yīng)力造成了疲勞斷裂失效。膜片聯(lián)軸器是國家推廣使用的一種聯(lián)軸器，在大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械中應(yīng)用日益廣泛。本文以某抽水蓄能電站膜片聯(lián)軸器連接螺栓斷裂故障為例，對其斷裂原因進(jìn)行了分析和總結(jié)，其結(jié)論對以后的檢修工作具有一定的參考意義。

1　膜片聯(lián)軸器特點(diǎn)

膜片聯(lián)軸器工作原理為幾組膜片 (不銹鋼薄板)用螺栓交錯(cuò)地與兩半聯(lián)軸器聯(lián)接，從而將主、從動(dòng)軸連接起來，形成軸系傳動(dòng)系統(tǒng)[6]。膜片聯(lián)軸器具有剛?cè)岵⒋娴奶匦?，在扭轉(zhuǎn)上是剛性的，以拉力的方式傳遞扭矩，在軸向和角向上又是撓性的，是靠膜片材料的變形來吸收轉(zhuǎn)動(dòng)軸間存在的各種偏移的一種金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器[7]。膜片聯(lián)軸器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）工作時(shí)不需要潤滑，無需維護(hù)；

（2）傳遞扭矩能力強(qiáng)，使用壽命長；

（3）不對中補(bǔ)償能力大，方便拆裝；

（4）軸向和角向剛度小，對設(shè)備影響小[8]。

膜片聯(lián)軸器分為連桿式和整體式，整體式和連桿式又可分別組成四邊形、六邊形和八邊形等偶數(shù)邊形狀，如下頁圖1所示。左圖為連桿式的單連桿，可按需拼接成偶數(shù)多邊形，右圖為整體式四邊形結(jié)構(gòu)。在本文電站中技術(shù)供水泵組采用的是整體式六邊形結(jié)構(gòu)的膜片聯(lián)軸器。

2　聯(lián)軸器螺栓斷裂情況

2017年1月，巡檢人員發(fā)現(xiàn)3號機(jī)組2號技術(shù)供水泵運(yùn)行中振動(dòng)較大且伴有異響，現(xiàn)場仔細(xì)查看后發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器金屬罩下面有斷裂螺栓，停機(jī)檢查后確認(rèn)該斷裂螺栓為技術(shù)供水泵組聯(lián)軸器的連接螺栓。

技術(shù)供水泵為臥式單級離心泵，廠家為凱士比（KSB），型號 SPN300-610C，額定流量 1 530 m3/h，揚(yáng)程45 m，轉(zhuǎn)速為993 r/min，軸功率為224 kW，與之搭配的為上海上電電機(jī)有限公司制造的電動(dòng)機(jī)，型號為Y355L1-6，額定功率250 kW。

技術(shù)供水泵與電機(jī)軸上都裝有半聯(lián)軸器，半聯(lián)軸器采用熱套法與兩軸裝配。兩半聯(lián)軸器之間放置有疊片膜片組，而膜片與半聯(lián)軸器用6條銷釘螺栓相連，每側(cè)3條，螺栓強(qiáng)度等級為12.9，屬高強(qiáng)度螺栓，其中面向水泵側(cè)的半聯(lián)軸器如圖2所示。1、3、5號孔較小，為螺栓穿入孔，2、4、6號孔較大作為襯套放入孔和膜片組件的卡孔，電機(jī)側(cè)的半聯(lián)軸器孔則剛好相反，小孔對應(yīng)大孔，使膜片能交錯(cuò)的與兩個(gè)半聯(lián)軸器相連，從而傳遞扭矩。水泵側(cè)半聯(lián)軸器的1號和3號螺栓從根部（退刀槽）位置沿螺栓橫截面斷裂，螺栓頭掉落至地面，銷釘螺桿仍卡在孔內(nèi)，5號螺栓螺母松脫掉落，襯套和螺栓也都掉落，如圖3所示，而且電機(jī)側(cè)半聯(lián)軸器的2號和4號螺栓也已經(jīng)松動(dòng)。

圖2　水泵側(cè)半聯(lián)軸器示意圖

圖3　螺栓斷口情況

3　螺栓斷裂原因分析

3.1　軸線不對中問題

聯(lián)軸器螺栓斷裂與松動(dòng)后，對泵組進(jìn)行了軸線檢查，發(fā)現(xiàn)軸線同心度和平行度均不合格，且與規(guī)定值偏差較大，數(shù)據(jù)如表1所示。檢查泵和電機(jī)的地腳螺栓均未發(fā)現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象。隨后對泵和電機(jī)側(cè)半聯(lián)軸器進(jìn)行盤車檢查其擺度情況，也未發(fā)現(xiàn)異常。為此拆下全部螺栓后，重新?lián)Q上一套新的連接螺栓并重新緊固，電機(jī)和泵的螺栓保持不動(dòng)，重新測量軸線后發(fā)現(xiàn)其平行度和同心度均符合要求，如表1所示。

表1　螺栓斷裂后軸線數(shù)據(jù)

筆者隨即向廠家咨詢泵和電機(jī)軸的安裝過程，廠家答復(fù)如下：

（1）預(yù)先安裝好水泵地腳螺栓，吊裝電機(jī)至電機(jī)平臺，安裝好兩半聯(lián)軸器，調(diào)整好其間距，然后使用鋼板尺或者刀口尺對兩半聯(lián)軸器進(jìn)行粗略對中；

（2）放入膜片，裝上連接螺栓并打緊，使用百分表測量對其同心度和平行度精細(xì)調(diào)整，分別控制在0.10 mm和0.10 mm/100 mm以內(nèi)；

（3）對電機(jī)基座進(jìn)行開孔，放入地腳螺栓，緊固電機(jī)地腳螺栓，復(fù)測其同心度和平行度，確保在上述范圍內(nèi)，至此完成安裝。

與傳統(tǒng)鼓齒型聯(lián)軸器不同[6]，膜片聯(lián)軸器安裝前應(yīng)該先把兩軸完全對中，然后再放入膜片并打緊螺栓，因?yàn)槟て?lián)軸器屬于剛?cè)岵⒋骖愋偷穆?lián)軸器，半聯(lián)軸器的連接螺栓對兩軸會(huì)有拉扯作用，如果預(yù)先打緊螺栓再測量對中數(shù)據(jù)，則可能會(huì)與實(shí)際值有很大偏差。正如表1中所示，本次聯(lián)軸器連接螺栓松動(dòng)和斷裂后，螺栓的拉扯力不再存在，軸線回到未受力的真正狀態(tài)，此時(shí)測量得到的同心度和平行度偏差與廠家要求值均相差較大。此外，本次檢修中發(fā)現(xiàn)如果要想在未預(yù)緊連接螺栓前把軸線調(diào)至合格狀態(tài)，就必須完全拔出電機(jī)地腳螺栓，也就是說電機(jī)地腳螺栓孔和電機(jī)座孔存在錯(cuò)位現(xiàn)象，需要對電機(jī)座的地腳螺栓孔擴(kuò)孔才能重新放入地腳螺栓，此現(xiàn)象進(jìn)一步證實(shí)了廠家確實(shí)是先連接膜片并打緊螺栓后再進(jìn)行軸線調(diào)整的。

如果塑性較好的材料受到較大的應(yīng)力時(shí)，會(huì)有一個(gè)明顯的屈服和塑性變形階段[5]，聯(lián)軸器的連接螺栓通常具有較好的塑性，而從圖3中可以看出，斷裂螺栓斷口較為平整，未見明顯的塑性變形，呈現(xiàn)脆性斷裂的特征，正是不對中的軸線系統(tǒng)造成的周期性應(yīng)力產(chǎn)生的疲勞斷裂。

此電廠共有8臺技術(shù)供水泵，均由同一廠家供貨與安裝，因此對整個(gè)電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行存在較大隱患，以后必須陸續(xù)對各臺電機(jī)座重新擴(kuò)孔和機(jī)組軸線重新調(diào)整。

3.2　技術(shù)供水泵組底座振動(dòng)

該技術(shù)供水泵組中，水泵和電機(jī)都用地腳螺栓固定在底座上，而底座平放于鋼筋混凝土座上，金屬底座并未整體澆筑混凝土，而且整個(gè)金屬底座只用6根螺栓固定在地面且只有固定點(diǎn)才和地面接觸，如圖4所示，也就是說大部分框架底面離地面均有一定的距離，由于各邊較長，所以存在彎曲振動(dòng)可能。為防止金屬底座各邊振動(dòng)導(dǎo)致泵組振動(dòng)，在各邊下面均打有楔子板。此次螺栓斷裂后發(fā)現(xiàn)金屬底座的固定螺栓有松動(dòng)現(xiàn)象，金屬底座地腳螺栓均能使用錘擊扳手轉(zhuǎn)動(dòng)半圈以上，而且楔子板也有外移現(xiàn)象，因此推測泵組金屬底座的振動(dòng)對此次螺栓斷裂也有一定影響。參考該技術(shù)供水泵的設(shè)計(jì)說明書可知，整個(gè)金屬底座必須進(jìn)行二次混泥土澆筑，以此防止底板的橫向移動(dòng)，如圖5所示，而實(shí)際該電廠施工時(shí)并未實(shí)施，因此也從側(cè)面反映了金屬底座松動(dòng)的可能。

圖4　技術(shù)供水泵組布置圖

圖5　底座的灌漿設(shè)計(jì)圖

3.3　螺栓退刀槽質(zhì)量問題

對兩顆斷裂螺栓做光譜成分測量，其稀有元素成分如表2所示，可知斷裂螺栓的材質(zhì)與42CrMo相近。對兩顆斷裂螺栓的螺桿橫截面做硬度測試，其結(jié)果如表3所示，根據(jù)《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》中規(guī)定，強(qiáng)度等級為12.9級的螺栓其洛氏硬度應(yīng)在39和44之間，可見其硬度也在規(guī)定范圍內(nèi)。

表2　螺栓材質(zhì)分析　單位：%

表3　洛氏硬度測量結(jié)果（HRC）

對兩個(gè)斷裂螺栓螺柱橫截面做金相檢測，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部組織較均勻，主要為回火索氏體結(jié)構(gòu)，未觀察到明顯缺陷，螺栓邊緣均未見脫碳層組織。對兩個(gè)斷裂螺栓的螺柱和螺帽做電鏡掃描，發(fā)現(xiàn)螺栓呈穿晶斷裂，能觀測到韌窩組織，但斷面較平齊，斷口區(qū)域能觀測到許多二次裂紋，表面材料具備一定的塑性。

總的來說從成分、表面硬度、金相和電鏡檢查都未發(fā)現(xiàn)螺栓明顯異常，但通過觀察其他未斷裂螺栓，明顯可見螺栓根部（退刀槽）位置存在加工粗糙、精度不一的現(xiàn)象。由于螺栓根部的退刀槽機(jī)加工質(zhì)量差，使其尖槽處產(chǎn)生高的應(yīng)力集中，誘發(fā)螺栓發(fā)生疲勞斷裂的問題已有發(fā)生[9]。

4　結(jié)論

對某蓄能電站技術(shù)供水泵聯(lián)軸器螺栓斷裂的原因進(jìn)行了分析，認(rèn)為：

（1）由于廠家安裝時(shí)未使用正確的安裝和對中步驟，致使技術(shù)供水泵組的軸線同心度和平行度不滿足要求，使螺栓產(chǎn)生周期性的應(yīng)力而產(chǎn)生疲勞斷裂，是此次的螺栓斷裂的主要原因；

（2）該電廠進(jìn)行技術(shù)供水泵組底座安裝時(shí)未完全按照使用說明書的要求對底座進(jìn)行二次澆注，進(jìn)而使底座固定螺栓產(chǎn)生松動(dòng)，加劇了泵組的振動(dòng)，而且聯(lián)軸器螺栓的退刀槽加工粗糙，使得應(yīng)力集中加速了螺栓的斷裂。

建議使用正確的方法對技術(shù)供水泵和電機(jī)進(jìn)行泵軸對中、更換合格的聯(lián)軸器螺栓以及對技術(shù)供水泵底座進(jìn)行二次澆注以減小振動(dòng)。

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