JZ9-3 油礦掃艙泵傳動軸斷裂原因分析

楊天郁，胡志成，楊旭斌，鞠兆剛，劉志偉

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300457）

1 JZ9-3 油礦掃艙泵

JZ9-3 油礦掃艙泵采用的是美國GOULDS PUMPS 公司生產(chǎn)的立式長軸泵深井泵，流量249.8 m3/h，揚程112 m，工作介質(zhì)為污油水，電機功率為192 kW，轉(zhuǎn)速2975 r/min，電機啟動方式為全壓啟動，傳動軸直徑30.1 mm，單根長度956 mm，材質(zhì)416ss，共20 根首尾相連，泵為兩級葉輪。1999 年投入使用，主要用于排出儲油沉箱內(nèi)沉在原油底層的水，工作方式為間歇式運轉(zhuǎn)，每天運轉(zhuǎn)兩次，每次運轉(zhuǎn)30 min。

2 故障情況

2008 年3 月，掃艙泵運轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)持續(xù)高振，最終泵軸斷裂，之后進行了投用以來的第1 次提泵大修，除襯套是自行測繪加工之外，其余配件均為原廠配件。但大修后使用8 個月之后再次出現(xiàn)高振后泵軸斷裂。再次更換了所有的襯套和傳動軸，其中有6 根傳動軸為國產(chǎn)化加工，使用1 個月后，又出現(xiàn)上述情況，不同的是斷裂的傳動軸為國產(chǎn)件。第3 次維修時改變了襯套材料，重新加工了6 根傳動軸，此次更換只使用了一個星期，仍然出現(xiàn)高振后泵軸斷裂，斷裂傳動軸仍然是國產(chǎn)件。每次拆檢發(fā)現(xiàn)都是傳動軸與襯套之間的配合間隙嚴(yán)重超差，部分泵軸磨損嚴(yán)重，都是在靠近泵的傳動軸在螺紋的尾部斷裂（前3 次靠近泵第2 根，第4 次靠近泵的第4 根），最后一次拆檢時發(fā)現(xiàn)襯套脫離襯套座。

3 原因分析

3.1 裝配可能存在的問題

掃艙泵的傳動軸靠一個左旋螺紋套連接相鄰的傳動軸，揚水管中的扶正襯套做支撐（圖1）。傳動軸的同軸度靠自身加工精度與螺紋套的加工實現(xiàn)，與安裝沒有關(guān)系，只有襯套和揚水管的安裝精度會影響傳動軸的傳動精度。

圖1 掃艙泵結(jié)構(gòu)示意

襯套在軸向沒有定位，與襯套座過盈配合。襯套與襯套座之間的過盈量過小，在泵運轉(zhuǎn)過程中會使襯套沿軸向竄動，最終脫離襯套座，導(dǎo)致傳動軸失去支撐，直接與襯套座摩擦，摩擦力急劇增大產(chǎn)生高振，傳動軸承受交變載荷，在最薄弱處產(chǎn)生疲勞斷裂。

相鄰兩節(jié)揚水管間的同軸度靠兩端凹凸法蘭的配合實現(xiàn)，安裝時法蘭面留有銹蝕、雜物，或法蘭邊緣凸起的高點都會影響揚水管的同軸度。另外，掃艙泵投產(chǎn)時間較長，揚水管法蘭的配合間隙由于銹蝕的原因略有增大，如在安裝過程中不調(diào)整揚水管的安裝位置也會影響其同軸度，揚水管不同軸會導(dǎo)致傳動軸偏磨襯套，大大縮短襯套的使用壽命。

3.2 國產(chǎn)化配件的選材和加工工藝問題

3.2.1 材料選擇問題

掃艙泵所有國產(chǎn)化配件的材料均是按完工圖紙中的規(guī)定，比對成國內(nèi)相對應(yīng)的材料。

襯套的材料為CARBON，翻譯成中文為“碳”，石墨耐磨性好、自潤滑性良好，是制作襯套的常用材料，并且主要化學(xué)元素就是碳，所以圖紙中的CARBON 就是指石墨。第1、第2 次維修均選用石墨加工襯套，但從檢修的情況來看，磨損非常嚴(yán)重，由此分析國外的CARBON 與國內(nèi)的石墨還有一定的差別；第3 次維修選用了承載能力強、自潤滑能力好、耐磨性好的填充聚四氟乙烯，但其硬度低、回彈性差，安裝時采用和石墨襯套同樣的過盈量，不能有效限制其軸向竄動。另外，填充聚四氟乙烯的熱膨脹系數(shù)大，采用和石墨襯套同樣的徑向間隙，受熱后會使軸和襯套粘合在一起旋轉(zhuǎn)，造成襯套座內(nèi)壁與襯套的外徑摩擦，襯套會產(chǎn)生不規(guī)則的軸向位移，嚴(yán)重情況下會脫離襯套座。最后一次檢修更換的填充聚四氟乙烯襯套與原石墨尺寸一致，所以填充聚四氟乙烯襯套的過盈量和徑向間隙均偏小，有可能是泵軸斷裂的重要原因。

傳動軸在圖紙中規(guī)定的材料牌號為416ss，與之相對應(yīng)的國內(nèi)材料為1Y1Cr13，是一種馬氏體不銹鋼，由于少量的1Y1Cr13材料不易購買，每次加工傳動軸都采用與之性能相近的1Cr13，雖然材質(zhì)牌號相對應(yīng)，化學(xué)元素也基本相同，但第2、第3、第4次傳動軸斷裂均為國產(chǎn)化軸，因此有兩種可能：其一，1Cr13 不如416ss 的強度高；其二，所購買的材料是不符合要求的1Cr13，因此可以通過力學(xué)試驗來澄清這一問題。

3.2.2 傳動軸受力分析

掃艙泵屬于液下兩級離心泵，泵在運轉(zhuǎn)過程中發(fā)生扭轉(zhuǎn)，傳動軸受葉輪做功產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩MB,與襯套摩擦?xí)纬勺璧K泵軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)矩MC，電機提供的轉(zhuǎn)矩MA，3 個扭矩的關(guān)系為MA=MB+MC。由于多級離心泵在運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生一定的軸向F2，該力由電機的推力軸承所承受，反作用力為F1（圖2）。泵軸是電機連接泵頭傳遞扭矩的部件，即泵軸在工作中既是受拉也是受扭轉(zhuǎn)兩個方面的力。判斷國產(chǎn)軸是否滿足強度要求無需校核強度，只需對國產(chǎn)化泵軸和進口泵軸取樣做拉伸強度試驗和扭轉(zhuǎn)強度試驗即可。按照國家標(biāo)準(zhǔn)將泵軸做成試件，在室溫狀態(tài)下測得的試驗數(shù)據(jù)見表1。

圖2 傳動軸受力分析

從表1 可以看出，國產(chǎn)化傳動軸的各項參數(shù)優(yōu)于進口傳動軸，由此判斷國產(chǎn)化傳動軸強度滿足使用要求。

表1 材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)

3.2.3 國產(chǎn)化配件加工工藝問題

傳動軸斷裂處每次都是在螺尾，說明在螺尾處產(chǎn)生了應(yīng)力集中，后三次斷裂的傳動軸均為國產(chǎn)化配件，由于傳動軸兩端的螺紋為左旋螺紋，普通車床車削螺紋時從傳動軸的中部往端部進刀，傳動軸螺尾處都留有三角形的進刀槽，進口泵的傳動軸是數(shù)控車床加工，沒有進刀槽，因此國產(chǎn)化傳動軸的危險截面面積小于進口傳動軸，這也是在同有國產(chǎn)化傳動軸和原裝配件的情況下國產(chǎn)化傳動軸斷裂的主要原因。

個別傳動軸在與襯套配合處有明顯的偏磨痕跡，說明軸并不是圍繞著軸心旋轉(zhuǎn)，而是處于偏心運轉(zhuǎn)狀態(tài)，部分與襯套進行摩擦，這種現(xiàn)象除了是傳動軸與襯套間的間隙過大造成的以外，就是軸兩端的螺紋的軸心與傳動軸軸頸不同軸，導(dǎo)致兩兩相連的傳動軸不同軸。

襯套是直接加工成形，然后用專用工具壓入就可以使用，位置精度全靠襯套座保證，但從未對揚水管內(nèi)的襯套座進行過同軸度檢測，如果同軸度有偏差，勢必影響襯套座的位置精度。

3.3 介質(zhì)變化的影響

在拆檢泵的過程中發(fā)現(xiàn)泵內(nèi)介質(zhì)中含有細(xì)砂和直徑1～2 mm 的固體顆粒。裝泵初期泵軸與襯套的間隙較小，細(xì)砂相當(dāng)于磨料，快速磨損襯套和泵軸，將間隙擴大，后續(xù)直徑較大的粒徑進出襯套會將泵軸和襯套卡死，如果多個襯套同時進入磨料，則傳動軸非常容易折斷。介質(zhì)中含砂和較大的固體顆粒是傳動軸斷裂的重要原因。

4 改進措施

由于工況改變，需要提高泵軸的強度和表面耐磨度：改變傳動軸材料，選用淬透性和強度更好的42CrMoA，并經(jīng)鍛造、調(diào)質(zhì)等工藝提高強度；泵軸表面需要更加耐磨，進行鍍硬鉻處理，磨削后提高表面耐磨度；從試驗結(jié)論看，進口泵軸的安全系數(shù)較低，因此泵軸的加工不切退刀槽，避免應(yīng)力集中，兩端螺紋必須保證同軸度；襯套采用填充聚四氟乙烯材料，增加導(dǎo)流槽，將過盈量增加至原來的一倍，并在導(dǎo)槽內(nèi)增加軸向固定，防止其竄動。

5 結(jié)語

改進后的傳動軸已連續(xù)使用超過8 年，未出現(xiàn)斷裂故障，證明了斷裂原因分析準(zhǔn)確、改進措施合理。通過解決傳動軸斷裂問題得出：進口零件的安全系數(shù)選用與工況相關(guān)，工況發(fā)生變化必然會發(fā)生故障。因此，在做國產(chǎn)化研究的過程中不能只做表面的模仿，要從原理上透徹分析后再深入研究加工工藝。