懸臂式離心泵斷軸故障分析與處理

李 宏

（福建福清核電有限公司，福建福清 350318）

0 引言

某核電廠低加疏水系統（ACO）配置為2×100%的低加疏水泵。該泵為國產單級、單吸、懸臂式離心泵。泵的結構如圖1 所示。

圖1 低加疏水泵結構

1 故障概述

泵正常工況運行時，電流突然在3 min 內從約280 A上升至約490 A,為避免異常發生而手動停泵。

設備停運后，經拆解檢查發現：①泵拆卸前對轉子盤車發現存在明顯卡澀；②泵軸已在葉輪處斷裂（圖2）；③葉輪前口環（入口側）及配合位置的泵體口環存在明顯磨損；④泵體內未發現外來異物，葉輪吸入口葉片未見明顯傷痕或裂紋。

圖2 斷口宏觀形貌

2 低加疏水泵斷軸原因分析

比對3 次斷軸的主要特征，結合魚骨圖工具，并根據故障特點、設備原理等，列出原因因素（圖3）。

圖3 魚骨圖

2.1 系統流程

（1）系統閥門內漏。檢查發現4ACO203VL 存在內漏，但其為泵進口的常開閥門，內漏不影響系統和泵運行。因此排除。

（2）入口濾網堵塞。檢查4ACO201FI 濾網，發現清潔度良好。因此排除。

（3）進出口管線布置。經過現場對比核查，4ACO301/302PO管線布置基本一致，且4ACO301PO 泵保持穩定運行。因此排除。

2.2 裝配精度

（1）泵的配合間隙不合格。經過檢查泵裝配數據，葉輪前、后口環配合間隙均在合格范圍內。因此排除。

（2）泵不對中。經對中復查，圓周偏差和端面偏差及靠背輪間距均在要求范圍內，泵對中無問題。因此排除。

2.3 運行狀態

（1）泵反轉。通過對電機空載試驗，電機轉向正確。

（2）泵水力性能改變。經核實4ACO302PO 歷史運行參數發現：該泵的出口流量較3ACO301/302PO、4ACO301PO 呈現出更大的波動現象。4ACO302PO 出口流量波動幅度達40 m3/h，而其余泵的波動幅值約為15 m3/h。在更大幅度的流量波動下運行，轉子將承受更多變、更大頻率的不穩定載荷，促使泵軸疲勞程度逐漸加劇。根據上述分析，該因素導致設備故障的可能性高。

2.4 機械故障

（1）軸承損壞。各軸承溫度合格，且拆卸檢查未發現軸承存在損傷。因此排除。

（2）泵軸材料、加工工藝缺陷。分析顯示：斷裂泵軸的斷裂模式為疲勞斷裂，其材料成分滿足國標要求，材料凈度、布氏硬度、拉伸性能等指標滿足國標要求，但泵軸的抗沖擊吸收功低于國家標準要求（表1）。根據上述分析，該因素是導致設備故障的主要原因。

表1 泵軸沖擊性能測試結果

圖4 葉輪出口側壁厚不均勻

（3）前蓋板的厚度偏差過大，導致泵軸承受更大的交變應力。檢查發現4ACO302PO 葉輪前后蓋板去重后的厚度偏差最大約10 mm（遠大于對比排查4ACO301PO 的對應值3 mm），見圖4。前后蓋板過大的、不規則的厚度偏差，造成泵轉動時在葉輪流道區域形成的軸向不對稱、過流軸心線不對稱的情況，由此觸發“回流（旋渦）”的產生。當形狀偏差產生的壓力梯度（背葉片效應）促使反向流進入較窄的流道時，由于局部速度瞬間增加，可能在此時形成初生或更嚴重的空化現象。該局部空化破壞，沖刷金屬表面，并導致泵轉子承受更大的交變載荷，加速泵軸（特別是承受彎矩較大的葉輪處）的疲勞程度。

此外，現場檢查運行時間較長的第1 次斷軸事件的葉輪發現：該單吸葉輪后蓋板的出口側外圓區域存在大約23 cm 長的密集點坑帶（汽蝕損傷的典型特征）。因該葉輪設置了4 個平衡孔，所以根據水往低處流的原理，“回流”將優先并更高速的從葉輪背部區域流動（旋渦），并可能在流道收窄區域產生了初生空化。根據上述分析，該因素導致設備故障的可能性高。

3 結論分析

（1）直接原因：流量波動過大。泵出口流量波動較大，使得泵運行過程中泵軸承受更大、更多變的交變載荷，加速了泵軸的疲勞損壞。

（2）促成原因：葉輪動平衡去重方法不科學，導致前后蓋板的厚度不均勻。在之前的泵葉輪制造過程中，為消除葉輪動平衡試驗不合格，采取了車削葉輪（前/后）蓋板圓周邊緣的方式。并且僅考慮兩側蓋板的去重質量，忽略了車削及打磨后的形狀。在之前的方式下，前/后蓋板車削（和打磨）后的軸向厚度不均（不均的區域相差最大約10 mm），使得該區域形成了類似于離心泵背葉片的泵送效應，并將泵送流體與配合的泵殼/泵蓋部分產生相互作用。由于該區域的形狀是不規則的，導致由此產生的軸向力與徑向力存在較大的不穩定性，引起泵軸在正常運行時所受的交變載荷較大，最終造成泵軸斷裂。

（3）根本原因：泵軸抗沖擊性能不合格。委托具有專業資質的第三方機構分析顯示：斷裂泵軸材料第1 次斷裂泵軸抗沖擊吸收功為5～8 J，第2 次斷裂泵軸抗沖擊吸收功為6～19.5 J,《GB/T 1220—2007 不銹鋼棒》要求抗沖擊吸收功≥24 J。

綜上分析：泵軸抗沖擊性能不合格，是導致泵軸斷裂的根本原因。

4 結論與建議

在本事件處理過程中，從現場工作組織、復雜故障分析與處理等方面，均有較多的有益經驗，主要體現在：

（1）設備驗收要高標準、嚴要求。對各類設備或備件等驗收過程中，不僅要檢查零部件裝配是否滿足廠家編制的技術要求，還要驗證是否滿足領域內的技術標準要求，是否低于同類型設備的慣例（橫向對比），以便從源頭上提高設備的可靠性水平。

（2）在設備檢修過程中，要明確和完善裝配要求、技術標準，以實現裝配過程的可靠性和有效性，以便保障設備投運后安全、可靠運行。

（3）維修工作組織的嚴細化、精準化和標準化。在各類糾正性、預防性等維修工作中，標準化的有效維修，對維修后設備運行狀態至關重要。要用技術方案指導現場工作、用技術標準改進技術方案，要充分使用各類工具進行根本原因分析并指導故障處理思路。

（4）要始終保持質疑的工作態度。對于出廠編制的各類文件，要深入鉆研、敢于提問，結合領域內的有關技術文件進行對比分析，以便診斷故障原因。