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)象時有發(fā)生[1-5]。據(jù)報道在轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)中60%的故障都與不對中有關(guān)，因為在一定條件下轉(zhuǎn)子處于不對中狀態(tài)運行時會產(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)機機組的疊層膜片聯(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)軸器螺栓進行分析，認(rèn)為是螺栓強度高、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]對汽輪機主油泵聯(lián)軸器螺栓斷裂原因分析，認(rèn)為汽輪機主軸與主油泵轉(zhuǎn)動軸的中心不正和汽輪機轉(zhuǎn)子存在較大的不平衡量，使機組在高速運轉(zhuǎn)過程中，聯(lián)軸器的振動大，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行調(diào)質(zhì)處理，導(dǎo)致其材料強度和硬度偏低，加之泵軸軸系周期性振動的小應(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

膜片聯(lián)軸器工作原理為幾組膜片 (不銹鋼薄板)用螺栓交錯地與兩半聯(lián)軸器聯(lián)接，從而將主、從動軸連接起來，形成軸系傳動系統(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：

（1）工作時不需要潤滑，無需維護；

（2）傳遞扭矩能力強，使用壽命長；

（3）不對中補償能力大，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號機組2號技術(shù)供水泵運行中振動較大且伴有異響，現(xiàn)場仔細查看后發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器金屬罩下面有斷裂螺栓，停機檢查后確認(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有限公司制造的電動機，型號為Y355L1-6，額定功率250 kW。

技術(shù)供水泵與電機軸上都裝有半聯(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，螺栓強度等級為12.9，屬高強度螺栓，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，使膜片能交錯的與兩個半聯(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，而且電機側(cè)半聯(lián)軸器的2號和4號螺栓也已經(jīng)松動。

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后，對泵組進行了軸線檢查，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。檢查泵和電機的地腳螺栓均未發(fā)現(xiàn)松動現(xiàn)象。隨后對泵和電機側(cè)半聯(lián)軸器進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，電機和泵的螺栓保持不動，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，吊裝電機至電機平臺，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調(diào)整，分別控制在0.10 mm和0.10 mm/100 mm以內(nèi)；

（3）對電機基座進行開孔，放入地腳螺栓，緊固電機地腳螺栓，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，因為膜片聯(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)，則可能會與實際值有很大偏差。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地腳螺栓，也就是說電機地腳螺栓孔和電機座孔存在錯位現(xiàn)象，需要對電機座的地腳螺栓孔擴孔才能重新放入地腳螺栓，此現(xiàn)象進一步證實了廠家確實是先連接膜片并打緊螺栓后再進行軸線調(diào)整的。

如果塑性較好的材料受到較大的應(yīng)力時，會有一個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，因此對整個電站的安全穩(wěn)定運行存在較大隱患，以后必須陸續(xù)對各臺電機座重新擴孔和機組軸線重新調(diào)整。

3.2　技術(shù)供水泵組底座振動

該技術(shù)供水泵組中，水泵和電機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，而且整個金屬底座只用6根螺栓固定在地面且只有固定點才和地面接觸，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，所以存在彎曲振動可能。為防止金屬底座各邊振動導(dǎo)致泵組振動，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現(xiàn)象，金屬底座地腳螺栓均能使用錘擊扳手轉(zhuǎn)動半圈以上，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)計說明書可知，整個金屬底座必須進行二次混泥土澆筑，以此防止底板的橫向移動，如圖5所示，而實際該電廠施工時并未實施，因此也從側(cè)面反映了金屬底座松動的可能。

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)《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》中規(guī)定，強度等級為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行了分析，認(rèn)為：

（1）由于廠家安裝時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）該電廠進行技術(shù)供水泵組底座安裝時未完全按照使用說明書的要求對底座進行二次澆注，進而使底座固定螺栓產(chǎn)生松動，加劇了泵組的振動，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)供水泵和電機進行泵軸對中、更換合格的聯(lián)軸器螺栓以及對技術(shù)供水泵底座進行二次澆注以減小振動。

參考文獻：

[1]高洪濤,李明.不對中對膜片聯(lián)軸器耦合轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)固有特性的影響[J].化工機械,2005(01)：22-26，44.

[2]邵萬珍,吳國奇.疊層膜片聯(lián)軸器螺栓斷裂原因分析[J].理化檢驗(物理分冊),2007(08)：414-418.

[3]尤磊,鄧小云,陳蓉,等.聯(lián)軸器螺栓斷裂原因分析與改進[J].核動力工程,2013(06)：153-155.

[4]胡國安.汽輪機主油泵聯(lián)軸器螺栓斷裂事故的分析和處理[J].浙江冶金,2002(01)：10-11.

[5]崔正強,吾之英,汪德健,等.循環(huán)水泵泵軸聯(lián)軸器螺栓斷裂分析[J].理化檢驗(物理分冊),2010(06)：406-408.

[6]韓建軍.膜片聯(lián)軸器安裝技術(shù)分析[J].山西建筑,2016(33)：219-220.

[7]徐陽,趙金陽,陳永祥,等.國產(chǎn)膜片聯(lián)軸器的技術(shù)及應(yīng)用進展[J].流體機械,2010(11)：30-35.

[8]母成革.膜片聯(lián)軸器的研究與應(yīng)用[C]//全國火電300 MWe級機組能效對標(biāo)及競賽第三十九屆年會論文集.全國發(fā)電機組技術(shù)協(xié)作會,2010.

[9]岑東.膜片聯(lián)軸器檢修安裝中不應(yīng)忽略的問題[J].設(shè)備管理與維修,2009(03)：18-19.