汽輪機(jī)調(diào)節(jié)油系統(tǒng)尼龍聯(lián)軸器失效分析

周建平，李上元，王 琪

（廣西防城港核電有限公司，廣西防城港 538001）

0 引言

某電廠汽輪機(jī)調(diào)節(jié)油系統(tǒng)（GFR）3 號(hào)油站主油泵運(yùn)行時(shí)突發(fā)壓力降為0 MPa 導(dǎo)致電機(jī)空轉(zhuǎn)事故。解體檢查發(fā)現(xiàn)電機(jī)與泵體之間聯(lián)軸器損壞并斷裂，如圖1a 所示。隨后電廠對(duì)其他GFR油泵均進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)1 臺(tái)主油泵聯(lián)軸器出現(xiàn)輕微磨損，能見(jiàn)到少量粉末在泵軸端，聯(lián)軸器齒基本完整，如圖1b 所示。

圖1 損壞失效的聯(lián)軸器

1 連接方式及外觀檢查

1.1 連接方式

本次失效的聯(lián)軸器為同一型號(hào)批次，連接方式如圖2 所示：泵聯(lián)軸器上下部分均有一圈齒槽，分別于電機(jī)及泵軸端的齒槽相匹配以傳遞力矩。根據(jù)檢修觀察情況，聯(lián)軸器與泵軸齒槽相連部位的整圈齒槽已全部刮平，而與電機(jī)端連接的齒槽完好。拆檢泵軸端的齒槽，發(fā)現(xiàn)泵軸端齒槽有一個(gè)齒卷起脹鼓并帶毛邊。表明失效的聯(lián)軸器安裝不到位導(dǎo)致缺陷，在聯(lián)軸器安裝過(guò)程中，該凸起的毛邊將聯(lián)軸器推向凸起側(cè)，影響聯(lián)軸器的對(duì)中，聚酰胺聯(lián)軸器裝配不平形成張口；同時(shí)用較大的力將聯(lián)軸器壓進(jìn)齒槽，導(dǎo)致聚酰胺齒槽有劃痕并且產(chǎn)生擠壓[1]；這種因泵軸端齒缺陷造成對(duì)中不良以及聚酰胺聯(lián)軸器劃痕損傷，在設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行中會(huì)加速磨損聯(lián)軸器。

1.2 外觀檢查

1.2.1 尺寸、硬度、密度測(cè)量

圖2 聯(lián)軸器連接方式

采用游標(biāo)卡尺、高硬度邵氏硬度計(jì)、密度天平分別對(duì)斷裂聯(lián)軸器樣品及磨損聯(lián)軸器樣品進(jìn)行尺寸、硬度、密度測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表1。對(duì)比數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，斷裂聯(lián)軸器樣品的各種尺寸均大于磨損聯(lián)軸器樣品，斷裂聯(lián)軸器樣品的硬度略小于磨損聯(lián)軸器樣品的硬度，斷裂聯(lián)軸器樣品的密度略大于磨損聯(lián)軸器樣品的密度。由成分分析可知，助劑和填料很少，所以可推測(cè)斷裂聯(lián)軸器樣品的分子量略大于磨損聯(lián)軸器樣品的分子量。

表1 聯(lián)軸器樣品尺寸、硬度和密度測(cè)量

1.2.2 色差分析

根據(jù)GB/T 7921—2008《均勻色空間與色差公式》，對(duì)樣品進(jìn)行色差分析，結(jié)果見(jiàn)表2。其中，L 值表示亮度；a、b 值為色坐標(biāo)值，其中a 表示紅綠色方向顏色變化，+a 表示紅色方向變化，-a 表示綠色方向變化；b 表示黃藍(lán)方向變化，+b 表示黃色方向變化，-b 表示藍(lán)色方向變化；ΔE 值表示CIE LAB 色差。

斷裂聯(lián)軸器樣品外表面與磨損面之間的色差ΔE 約為8.03 NBS，磨損聯(lián)軸器樣品外表面與斷口面之間的色差ΔE 約為4.23 NBS。磨損聯(lián)軸器樣品外表面與斷口面色差ΔE 小于斷裂聯(lián)軸器樣品外表面與磨損面之間的色差ΔE。由于色差小的內(nèi)外顏色差別小，磨損聯(lián)軸器樣品斷口顏色較深。斷裂聯(lián)軸器樣品磨損面顏色較外表面顏色差別較大。由此可以推斷，磨損聯(lián)軸器樣品內(nèi)部黃變老化現(xiàn)象比斷裂聯(lián)軸器樣品嚴(yán)重。

表2 聯(lián)軸器外壁面與磨損面的色差

2 理化分析

2.1 傅里葉紅外光譜分析（FT-IR）

根據(jù)GB/T 7764—2001《橡膠鑒定紅外光譜法》，使用傅里葉紅外光譜分析進(jìn)行材質(zhì)鑒定，表明該聯(lián)軸器材質(zhì)為聚己二酰己二胺（PA-66，即尼龍-66）。同時(shí)對(duì)聯(lián)軸器表面存在的磨損粉末進(jìn)行分析，斷裂聯(lián)軸器磨損面表面粉末為基材磨損形成，內(nèi)壁黑色異物推斷為基材老化分解殘留物，還有外來(lái)的微量氧化鐵。磨損聯(lián)軸器內(nèi)壁黑色異物推斷也為基材老化分解殘留物，還有外來(lái)的微量氧化鐵和氧化銅斷裂聯(lián)軸器的填料為尼龍?zhí)砑又鷦┗酆蛠喠姿犷?lèi)抗氧劑，磨損聯(lián)軸器的填料主要有氧化鋅、碳酸鈣和少量的滑石粉及亞磷酸酯類(lèi)抗氧劑。兩者填料不一樣，耐磨系數(shù)也不一樣，可以推測(cè)廠家生產(chǎn)工藝管控不嚴(yán)。

2.2 熱重分析（TGA）和差示掃描量熱儀（DSC）分析

根據(jù)GB/T 14837.1—2014《橡膠和橡膠制品熱重分析法測(cè)定硫化膠和未硫化膠的成分 第1 部分》以及GB/T 13464—1992《物質(zhì)熱穩(wěn)定性的熱分析試驗(yàn)方法》，對(duì)樣品進(jìn)行熱重分析和差示掃描量熱儀分析。結(jié)果表明聯(lián)軸器共聚物樹(shù)脂含量92.38%，殘?zhí)亢?.27%；實(shí)測(cè)灰分含量0.093%，其他助劑和填料含量2.37%，熔點(diǎn)263.29 ℃，在尼龍-66 的熔點(diǎn)（259～267 ℃）之間。

2.3 斷口掃描電鏡分析（SEM）

對(duì)聯(lián)軸器磨損面或斷口處清洗干凈，采用離子濺射法對(duì)斷口進(jìn)行噴金處理后，放入掃描電鏡觀察斷口微觀形貌（圖3、圖4）。通過(guò)對(duì)磨損面進(jìn)行SEM 分析可知，斷裂聯(lián)軸器樣品由摩擦引起韌性斷裂；磨損面表面粗糙，其中存在大量顆粒松動(dòng)和脫落，磨損面未發(fā)現(xiàn)類(lèi)似玻璃纖維狀物質(zhì)（通常玻璃纖維是尼龍材料的添加劑，可改善尼龍材料的耐磨性）。斷裂聯(lián)軸器樣品斷面十分光滑平整，推斷為脆性斷裂，斷口面未發(fā)現(xiàn)類(lèi)似玻璃纖維狀物質(zhì)，但斷面有尖銳片狀顆粒脫落，推測(cè)為氧化鐵和氧化鋅顆粒加速了內(nèi)部老化[2]。

3 原因分析與改進(jìn)措施

3.1 原因分析

結(jié)合聯(lián)軸器的使用工況、實(shí)驗(yàn)分析和經(jīng)驗(yàn)反饋，分析得出聯(lián)軸器磨損失效原因。

圖3 斷裂聯(lián)軸器磨損面形貌

圖4 磨損聯(lián)軸器磨損面形貌

（1）聯(lián)軸器失效主要原是泵軸端齒槽卷邊帶毛刺刮削聯(lián)軸器齒槽，導(dǎo)致聯(lián)軸器齒槽膨脹與不對(duì)中，聯(lián)軸器齒間配合不佳，運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)期受擠壓而磨損。

（2）失效原因還包括廠家生產(chǎn)工藝管控不嚴(yán)，斷裂的聯(lián)軸器和磨損的聯(lián)軸器屬于同一型號(hào)產(chǎn)品，但兩者填料相差甚多，耐磨系數(shù)也不一致；聯(lián)軸器使用3 年，就產(chǎn)生了老化斷裂和磨損現(xiàn)象，老化程度與尼龍樹(shù)脂本身的材料性能和工藝有關(guān)。

（3）根據(jù)其他電廠的經(jīng)驗(yàn)，采用低熔點(diǎn)的PA-6 材質(zhì)（230 ℃）的樹(shù)脂。與PA-66（259～267 ℃）相比具有更好的回彈性、抗疲勞及穩(wěn)定性，PA-66 硬度比PA-6 高16%～17%，硬度越高，纖維的脆性越大，而越容易斷裂。

3.2 改進(jìn)措施

（1）做好新備品備件的入廠驗(yàn)收，要求廠家出具材質(zhì)抽檢報(bào)告。

（2）PA-6 及PA-66 材質(zhì)的聯(lián)軸器均適用于現(xiàn)場(chǎng)油泵，優(yōu)選PA-6 材質(zhì)的聯(lián)軸器，或使用無(wú)機(jī)粒子、纖維等填充劑以增強(qiáng)其耐磨性。

（3）在運(yùn)輸、保存過(guò)程中注意保護(hù)尼龍聯(lián)軸器，避免紫外線照射、絕熱絕濕，防止磕碰，盡量使用黑色包裝袋貯存。安裝過(guò)程中應(yīng)仔細(xì)檢查備件以及泵軸端齒槽的狀態(tài)，安裝時(shí)注意對(duì)中，避免擠壓齒槽以及接觸水分。

4 總結(jié)

在聯(lián)軸器成分、斷口掃描電鏡分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合聯(lián)軸器材質(zhì)、運(yùn)行工況、力學(xué)參數(shù)、受力分析結(jié)果及斷口形貌分析結(jié)果等，確定聯(lián)軸器磨損失效的主要原因?yàn)榘惭b過(guò)程存在缺陷，廠家生產(chǎn)工藝管控不嚴(yán)導(dǎo)致材質(zhì)不佳。針對(duì)問(wèn)題制定處理措施，避免問(wèn)題重發(fā)，對(duì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)油系統(tǒng)尼龍聯(lián)軸器的管理具有指導(dǎo)意義，為設(shè)備的安全運(yùn)行提供保障。