某進口型汽輪機主油泵驅動軸斷裂分析研究

趙廣勛+瞿麗莉+張小鋒

摘 要：某進口型汽輪機主油泵驅動軸發生斷裂事故，從機組歷史數據查起，經主油泵外觀檢查，解體檢查，歷史檢修情況檢查等步驟，分析認為引起機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，機組跳閘；主油泵故障原因為主油泵驅動軸斷裂；斷裂原因為驅動軸斷口部位無加工倒角，斷裂部位發生在軸端和法蘭R角處，在高速轉動中容易產生較大的應力集中，成為薄弱部位，經過長期運行后材質疲勞出現裂紋，最終裂紋擴大造成斷裂；針對此給出了整改建議。

關鍵詞：汽輪機；主油泵；斷裂；分析；建議

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

0 前言

對整個汽輪機系統而言，汽輪機的主油泵是其主要組成部分，其主油泵的軸承一端由傳動，讓另一端轉動。其軸承在汽輪機主油泵上主要功能：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行冷卻；第三發電機能夠得到其密封用油；汽輪機主油泵的軸承出現失常的主要類型有腐蝕、漏脂、剝落和斷裂[1]，其中斷裂對機組影響較大，所以專門研究斷裂原因并針對原因采取預防方案很有必要。

1 系統及事件簡介

某電廠配有國外進口的汽輪機，主油泵驅動裝置由兩根泵軸構成：空心軸（傳動軸）與實心軸（驅動軸），材質為25Gr2MoV。實心軸一端與汽輪機轉子用齒形聯軸器連接，另一端與空心軸采用緊力配合，且與調速齒輪用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。

事件發生前，機組負荷63.8MW，主蒸汽流量308t/h，工業抽汽流量75t/h，無任何操作，隨后機組跳閘，首出原因為：“發電機主保護動作”。機組停機后從歷史數據查看判斷為主油泵故障導致油壓低汽機跳閘，隨后對主油泵進行了外觀和解體檢查。

2 歷史數據檢查

查閱汽機轉速、掛閘油壓等歷史曲線，機組跳閘前1秒汽機轉速下降至1046r/min，安全油壓降低至1.03MPa，機組一次調頻動作，查閱事故追憶記錄，“掛閘油壓失去”、“主汽門關閉信號”分別于事件前1s、事件發生時發出，事件發生時ETS系統首出“發電機主保護動作”機組跳閘，分析為“汽輪機安全油壓喪失”條件滿足，保護動作，聯跳發電機（汽輪機聯跳發電機大聯鎖邏輯為：“汽機主汽門關閉”或“掛閘油壓失去”聯跳發電機）。

3 主油泵外觀檢查

汽機投入盤車后，揭開前箱測速裝置處上蓋，發現測速齒輪無轉動，手動旋轉測速齒輪能自由轉動；測速齒輪壓蓋及緊固螺栓緊固完好，無斷裂、脫開現象，前箱內無異物。

揭開主油泵聯軸器處上蓋，檢查主油泵驅動軸與汽輪機轉子聯軸器螺栓無松脫、斷裂，外露驅動軸跟隨汽輪機轉子一同轉動，根據現象初步判斷為油泵葉輪、測速裝置與油泵驅動軸脫開。

4 主油泵解體檢查

（1）解體主油泵后檢查發現，主油泵軸在一側發生斷裂，斷成軸、軸頭和法蘭三件，見圖1；

（2）主油泵驅動軸為整體加工，驅動受力端中空并有連接法蘭盤，斷裂處在驅動盤根部，斷口處結構見圖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，設置檢修項目為“主油泵軸向推力間隙調整，主油泵聯軸器找中心”。未設置金屬監督檢查及驗收項目，文件包中也未對主油泵傳動軸套、驅動軸各部套的檢修工藝標準作出明確要求。

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。主油泵驅動軸驅動力矩主要靠斷口1處環形母材傳輸，檢查斷口1、2部位均無加工倒角，斷裂部位發生在軸端和法蘭R角處，在高速轉動中容易產生較大的應力集中[4，5]，成為薄弱部位，經過長期運行后材質疲勞出現裂紋，最終裂紋擴大造成斷裂。

（2）機組大小修時，雖曾進行過檢查，但因傳動軸與驅動軸為兩層套裝結構，宏觀檢查無法檢查到斷裂部位，而驅動軸受結構影響僅能進行常規檢測，也未能發現潛在裂紋、損傷等缺陷。

（3）分析事件經過為：斷口1處由裂紋發展至斷裂，主油泵失去驅動力，而驅動軸仍在汽輪機大軸帶動下高速運轉，傳動軸與驅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，造成驅動軸端部再次斷裂。

7 建議

針對主油泵驅動軸結構設計不合理，存在應力集中區，并且力矩傳遞處結構較為薄弱的問題，建議確定驅動軸材質及處理工藝，按照實際測繪尺寸重新加工驅動軸，修改完善斷裂部位應力集中區設計（斷口1處將原空心孔加工為實心軸，斷口2處由直角切削調整為圓角過度，詳見附圖剖面線區域）。驅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子，裝配完成后做動平衡，檢測合格后嚴格按工藝標準復裝主油泵。

針對主油泵驅動軸斷裂部位處于R角處，機組檢修時未能對R角內部進行檢測，僅進行了宏觀表面檢查，未能發現潛在裂紋、損傷等缺陷的問題。以后機組檢修時，采取有效措施加強對主油泵轉軸及聯軸器等部位的檢查（增加轉軸無損金屬檢測項目）。

參考文獻：

[1]蘆東明.汽輪機主油泵軸承斷裂分析及預防措施[J].電力通用機械，2014，28（06）：76-77+82.

[2]胡世炎.破斷故障金相分析[M].北京：國防工業出版社，1979：280-282.

[3]萬嘉禮.機電工程金屬材料手冊[M].上海：上海科學技術出版社，1990：506-507.

[4]何成.汽輪機主油泵軸斷裂分析[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，陜西扶風人，工學學士，高級工程師，主要研究方向：大型火電機組熱工控制系統及生產管理研究。endprint