核電廠海水泵機械密封彈簧斷裂原因分析

張明啟　李冰　明迪

摘? 要：在此次研究過程當(dāng)中，針對某一核電廠的海水升壓泵在實際解體檢查過程當(dāng)中所發(fā)現(xiàn)的機械密封彈簧斷裂問題進(jìn)行詳細(xì)的分析，對于其實際所具有的外觀、成分以及實際的硬度等諸多情況進(jìn)行分析，相應(yīng)的結(jié)果可以表明，彈簧設(shè)計過程當(dāng)中存在一定程度的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題。彈簧在構(gòu)建過程當(dāng)中出現(xiàn)的荷載偏心的實際情況，在偏心荷載的實際作用之下，致使相應(yīng)的彈簧存在斷裂問題，以下對核電廠的海水泵機械密封彈簧斷裂的相關(guān)問題進(jìn)行綜合性的分析。

關(guān)鍵詞：核電廠;機械密封;彈簧斷裂

引言

在此次研究過程中選取某核電站再進(jìn)行海水升壓泵機械密封更換工作過程中所發(fā)現(xiàn)的機封上兩條彈簧斷裂情況作為研究的實際內(nèi)容，其機械密封構(gòu)建擁有兩個，分別會在實際的海水升壓洞的兩端予以構(gòu)建，其機械密封在實際構(gòu)建過程當(dāng)中會由洞以及補償彈簧予以構(gòu)件。而每個機械密封在構(gòu)建過程當(dāng)中會擁有6個彈簧，同時會擁有O型圈徑環(huán)以及實際的緊定螺釘予以構(gòu)成。

1試驗

1.1對宏觀檢查進(jìn)行分析

與并未斷裂的彈簧進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)兩個斷裂的彈簧在其第二環(huán)的位置存在著斷裂問題，其鍛煉位置向下至3～4圈的范圍之內(nèi)，側(cè)邊會擁有相應(yīng)的磨損情況。

1.2對體式顯微檢測進(jìn)行分析

通過體式顯微鏡對彈簧進(jìn)行進(jìn)一步的觀察，可以發(fā)現(xiàn)在彈簧斷口所具有的正下方，其實際的彈簧圈中存在一定程度的表面缺陷，懷疑彈簧在實際斷裂后產(chǎn)生的碰傷。

1.3對金相進(jìn)行檢測

在研究過程中，對彈簧進(jìn)行金相檢測，檢測過程當(dāng)中其金相為典型的不銹鋼彈簧絲，金相組織形貌在構(gòu)建過程當(dāng)中由于不銹鋼絲在構(gòu)建過程當(dāng)中為冷拉加工，在實際構(gòu)建過程當(dāng)中已經(jīng)無法對奧氏體晶界予以觀察。

1.4對應(yīng)用測試進(jìn)行分析

在研究過程當(dāng)中，通過對彈簧金相試樣的表面進(jìn)行顯微維氏硬度的檢測工作。失效彈簧其實際的直徑為1.2毫米。而相應(yīng)的失效彈簧絲心目所具有的抗拉強度達(dá)到1834MPa，超過實際標(biāo)準(zhǔn)的具體要求。

1.5對斷口進(jìn)行微觀分析

兩個彈簧在實際構(gòu)建過程中，其端口具有的相似性主要為脆性端口。2號彈簧斷口在實際的微觀情況觀察中可發(fā)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)內(nèi)存在過程啟裂區(qū)，會在彈簧圈內(nèi)部會存在著裂紋拓展區(qū)，以及中斷區(qū)。同時會存在著疲勞條帶，相應(yīng)的情況可由圖1顯示。

2綜合分析

2.1對材料進(jìn)行分析

不銹鋼彈簧絲在具體生產(chǎn)過程當(dāng)中，一般而言會以冷拉工藝為主，由此在實際的進(jìn)項組織構(gòu)建過程中，已經(jīng)無法對奧氏體晶界予以有效的分辨。組織上主要為實際的典型奧氏體不銹鋼冷拉后組織結(jié)構(gòu)，由實際的顯微硬度結(jié)果推斷失效彈簧及抗拉強度在構(gòu)建過程中能夠達(dá)到1844MPA，已經(jīng)超過所規(guī)定的實際范圍之內(nèi)。失效彈簧在構(gòu)建過程中，其抗拉強度相對較高，由此也使得彈簧在構(gòu)建過程當(dāng)中容易存在脆性斷裂的情況。奧氏體不銹鋼在實際的冷加工過程中，為了消除實際的加工硬化，在實際的固定過程中，需要進(jìn)行中間退火或者進(jìn)行有效的固溶處理，后者在實際構(gòu)建過程當(dāng)中會將剛加熱至1000-1100度進(jìn)行快速冷卻，由此獲得較為均勻的奧氏體組織奧氏體不銹鋼絲，在繞成彈簧之后需要進(jìn)行相應(yīng)的低溫退火工作，以此消除冷卷黃時所形成的內(nèi)用力，失效彈簧鎖具有的抗拉強度相對較高，可能與實際材料加工冷加工過程當(dāng)中，所具有的后續(xù)熱處理具有了一定的關(guān)聯(lián)性，使得整體彈簧抗拉強度無法達(dá)到較為合理的范圍之內(nèi)。

2.2對結(jié)構(gòu)因素對于實際彈簧失效的影響進(jìn)行分析

海水升壓泵在實際構(gòu)建過程中，其機械密封彈簧組裝方式在構(gòu)建過程中主要為壓縮螺旋彈簧的組裝結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)構(gòu)建過程中會存在風(fēng)險，相應(yīng)的彈簧與彈簧座在構(gòu)建過程當(dāng)中屬于摩擦副，在彈簧反復(fù)運動過程中，彈簧的一端也會產(chǎn)生一定程度的摩擦，甚至將孔底刨成坑狀，由此彈簧在構(gòu)建過程中會處于相對歪曲的狀態(tài)，無法平穩(wěn)的進(jìn)行上下工作。由此，將致使彈簧存在過早斷裂失效的情況。在對失效彈簧所存在的動環(huán)做彈簧內(nèi)進(jìn)行檢查的過程當(dāng)中，可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)用較為明顯的劃痕。而之前的檢測也發(fā)現(xiàn)補償彈簧側(cè)邊會存在一定程度的磨損，其磨損的實際范圍與實際的彈簧孔交界位置相符，當(dāng)減薄超過彈簧有效直徑時，便會使實際的彈簧在應(yīng)用過程當(dāng)中存在著斷裂的風(fēng)險。

2.3受力分析

彈簧失效就一般而言會在受力最大且結(jié)構(gòu)斷面最薄的部位予以發(fā)生，在靜載荷之下相應(yīng)的彈簧就一般而言并不會存在著斷裂失效的問題，而在動載荷以及高應(yīng)力以及實際的應(yīng)力幅度相對較大與實際沖擊作用之下，相應(yīng)彈簧在一定程度上會導(dǎo)致過早斷裂失效的問題。首先，對于沖擊載荷而言，依照相應(yīng)的實踐可以表明壓縮彈簧承受的沖擊載荷時，往往會致使彈簧的第二、三個有效圈處存在斷裂，其主要的原因在于1～3個彈簧圈會首先對載荷予以承載，不能迅速且有效的將相應(yīng)的載荷傳遞給其他的彈簧圈，斷裂的兩個彈簧在實際構(gòu)建過程當(dāng)中均會發(fā)生在第2個彈簧圈左右，與實際的文獻(xiàn)記錄相符，在實際構(gòu)建過程當(dāng)中擁有相對較大的震動時，有可能會使得實際補償環(huán)所具有彈簧產(chǎn)生相對較大的沖擊載荷，并且使彈簧所具有的抗拉強度過高，由此也致使整體彈簧在構(gòu)建過程當(dāng)中存在脆性斷裂。

第二，對偏心載荷的影響進(jìn)行分析，偏離中心時，其偏心載荷將使得整體應(yīng)力大幅度的增加，可以造成整體彈簧過早失效的問題，在上述的研究過程中分析，表面彈簧以及實際彈簧座間會存在一定程度的摩擦，由此也說明彈簧在構(gòu)建過程當(dāng)中會存在一定程度的偏心問題，當(dāng)偏離實際中心時，將會使彈簧存在失效風(fēng)險。

結(jié)語

海水泵機械密封補償彈簧材料在構(gòu)建過程中所具有的成分與標(biāo)準(zhǔn)要求相符，組織上并未發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的異常，其硬度與標(biāo)準(zhǔn)相比相對較高。泵機械密封補償彈簧材料在構(gòu)建過程中所具有的硬度偏高加之其自身結(jié)構(gòu)所存在的特點，在運行過程當(dāng)中偏心載荷的共同作用之下，會致使相應(yīng)的彈簧存在脆性斷裂的情況，在實際的斷裂過程中，并沒有發(fā)生斷裂的機械密封補償彈簧在3-6圈會存在磨損，個別彈簧中相應(yīng)的情況較為嚴(yán)重，存在著失效的風(fēng)險。

參考文獻(xiàn)

[1]張文琢，李明，趙旭光，等.嶺澳核電站給水泵機械密封彈簧斷裂原因分析[J].通用機械，2017（1）：52-55.DOI：10.3969/j.issn.1671-7139.2017.01. 016.

[2]朱健，劉星，張龍，等.某核電廠主給水增壓泵機械密封故障持續(xù)改進(jìn)處理[J].水泵技術(shù)，2021（3）：39-42.

[3]張浩，陳曄.基于大彈簧的介質(zhì)側(cè)機械密封腔流場數(shù)值分析[J].石油化工設(shè)備，2019，48（6）：28-34.DOI：10.3969/j.issn.1000‐7466.2019.06.006.

[4]孫見君，顧伯勤，魏龍.彈簧比壓對平衡型機械密封基本性能的影響[J].石油化工設(shè)備，2005，34（6）：6-9.DOI：10.3969/j.issn.1000-7466.2005.06. 002.