安全廠用水泵聯軸器斷裂原因分析及改進措施

潘翔，劉德軍，秦博杰，王琳琳，時宏磊

（中核核電運行管理有限公司，浙江海鹽314300）

0 引 言

核電廠安全廠用水系統是為核島廠房內的設備提供冷卻的系統，是核島唯一的冷源,一般由獨立的兩列管道輸送海水，每一列管道并聯安裝2 臺全容量的安全廠用水泵。

秦山核電基地某電廠一臺安全廠用水泵在運行期間發生了聯軸器突然脫開的故障，由于該列另一臺泵正在進行檢修，導致該列設備冷卻水系統熱交換器短時間失去冷源，后經過緊急搶修更換了聯軸器，才避免了機組退防事件。

該安全廠用水泵是立式單級離心泵，所使用的聯軸器是沈陽某聯軸器制造商制造的Ω型膜片式聯軸器，結構示意圖如圖1 所示。故障聯軸器的膜片發生了嚴重撕裂，膜片外圈的聯接螺釘基本都已脫落并散落在四周，如圖2 所示。

圖1 聯軸器結構示意圖

圖2 故障聯軸器照片

1 故障定位及原因分析

通過對破損膜片及螺釘的檢查，膜片內圈基本完整，僅外圈斷裂，斷口呈明顯的撕裂狀。除少數聯接螺釘還掛在膜片上外，其余螺釘均散落四周，其中有3 顆螺釘已斷裂，如圖3 所示。根據初步檢查情況判斷，一種可能是由于膜片聯接螺釘發生了斷裂，造成膜片受力不均勻，在扭轉應力作用下產生變形從而撕裂，最終導致聯軸器脫開。另一種可能是膜片首先變形開裂，造成螺釘因受到磨損而發生斷裂，進而引起整組膜片撕裂。

圖3 膜片外圈和聯接螺栓斷裂

螺釘斷裂或膜片開裂的可能原因有選型不當、制造缺陷、安裝不當或者維護不足，以下從這4 個方面進行分析。

1.1 選型分析

聯軸器是一種機械傳動機構，用于聯接驅動軸與從動軸，可以傳遞運動和轉矩，同時具有補償兩軸的相對位移、緩沖、減震和安全防護等功能[1]。聯軸器主要分為剛性聯軸器和撓性聯軸器，大多數已經標準化，可根據不同工況選擇合適的聯軸器即可。因此，首先需要判斷選型是否適當。

聯軸器的選用要求：計算轉矩TC小于許用轉矩[T]。聯軸器的計算轉矩由下面兩個公式進行計算：T=9500 PW/n；TC=TKWKKZKt。其中：T為理論轉矩；PW為驅動功率；n為工作轉速；KW為動力機系數；K為工況系數；KZ為啟動系數；Kt為溫度系數。KW=K=KZ=Kt=1.0，計算得到TC=T=4459 N·m，[T]=20000 N·m，TC＜[T]，說明聯軸器選用合適。

聯接螺栓剪切強度校核計算公式[2]為Q=KT/［(N/2)·R］。式中：Q為螺栓剪切力；K為工況系數；T為理論轉矩；N為螺栓個數；R為螺栓分布半徑。

螺栓許用剪切應力為[τ]=σS/nT。式中：σS為螺栓的屈服強度，查詢手冊為835 MPa；nT為安全系數，取3.5。

安全廠用水泵屬于中速、有一定振動和沖擊的設備，選用有彈性元件的撓性聯軸器是合適的，多年實際運行情況也表明聯軸器選型適當，能夠滿足實際需求。

1.2 制造情況分析

聯軸器的膜片材料為1Cr18Ni9Ti，墊片材料為45鋼，聯接螺栓材料為35CrMo。通過化學成分分析發現，膜片和螺栓的各元素含量均符合國家標準，但墊片材料中的C、Si、Mn 和Ni 元素含量不符合標準GB/T 699 的成分要求，如表1 所示。

表1 聯軸器主要部件化學成分質量分數分析結果 %

同時，金相檢驗和掃描電鏡微觀分析還發現：a)膜片金相組織中可見會增加材料脆性的針狀形變馬氏體，膜片斷口微觀可見少量疲勞輝紋，為脆性疲勞斷裂的形貌特征，如圖4 所示；b)墊片金相組織不符合45 鋼正常組織形態，斷口微觀呈明顯韌窩特征，如圖5 所示；c)螺栓的組織狀態不理想，存在大量未溶鐵素體，斷裂螺栓的斷口微觀也呈現明顯韌窩形貌，如圖6 所示。

圖4 膜片金相組織形貌和膜片斷口微觀形貌

圖5 墊片金相組織形貌和墊片斷口微觀形貌

圖6 螺栓金相組織形貌和螺栓斷口微觀形貌

膜片和螺栓均用于傳遞轉矩作用，這兩部件的材料均屬于常規聯軸器的材料，1Cr18Ni9Ti 具有易加工性和低溫韌性好等優點，而35CrMo 具有高的靜強度、沖擊韌度和疲勞強度，適用于承受沖擊、彎扭的零件[3]。顯然，由于材料在加工制造過程中存在不足，造成實際的膜片材料脆性有所增加，墊片材料的化學成分不符合標準要求，以及螺栓組織狀態不理想。

1.3 安裝情況分析

該聯軸器的對中要求為平行度及同軸度均在0.10 mm 以內，實際電廠安裝要求為0.05 mm 以內，滿足要求。聯軸器膜片緊固使用自鎖螺母，防松效果良好未發現松動情況，緊固力矩也符合要求。

該聯軸器對于兩組膜片的安裝間距要求為18 mm（此時兩側靠背輪的間隙為4 mm），安裝間距由金屬墊片數量進行控制，墊片總數應為18 片（每片墊片厚度1 mm）。但經檢查，故障的聯軸器實際安裝的墊片數量僅有15 片，如圖7 所示。

檢查還發現部分聯接螺栓的光桿部位都存在明顯的磨損，磨損部位為2 組膜片所處位置，如圖8 所示。同時，斷裂螺栓的斷口也位于該磨損區域，磨損面約占斷口面積的一半，斷口微觀呈現明顯韌窩形貌。磨損說明膜片未能壓緊存在松動，相互之間存在一定程度的相對運動，導致螺桿與膜片相互擠壓和摩擦，從而出現磨損。

圖7 中間墊片的數量不足

圖8 聯接螺栓、螺桿有磨損痕跡

將所有未損壞螺栓進行了仔細測量，這些螺栓的非螺紋段長度為25 mm 左右，將螺母擰緊至螺紋底部后測量最小工作段長度為24.2～24.7 mm，平均約24.5 mm，如圖9 所示。其中有一個螺栓的最小工作段長度甚至達到25.7 mm。按照中間墊片15 片來計算，所有膜片和墊片的總厚度約為24 mm 左右，均小于這些螺釘的最小工作段長度，說明聯接螺釘的螺母已擰至螺紋末端但無法充分壓緊膜片及墊片，造成膜片與墊片之間存在間隙。

在正確安裝情況下，螺釘緊固后所有的膜片和墊片緊緊壓在一起，膜片無法上下竄動，才能確保聯軸器運轉時整個膜片組的受力比較均勻。而在中間墊片厚度不足情況下，螺釘擰緊后卻未能壓緊膜片，膜片孔邊緣與螺釘接觸并擠壓后能夠向上或向下有間隙的地方竄動，運行過程中的振動及啟停時的沖擊則讓這種竄動反復發生，因而導致螺釘逐漸開始磨損，其中磨損嚴重的部分螺釘最終發生斷裂，如圖10 所示。

圖9 聯接螺釘最小工作段長度測量

圖10 螺釘磨損情況示意圖

此外，對現場使用的聯軸器及備件的相關尺寸進行了測量，膜片厚度為0.5 mm/片，墊片厚度為1.0 mm/片。主動側和從動側靠背輪法蘭端面的外側臺階高度A=B=10.5 mm，當靠背輪端面間距δ=4 mm時，兩靠背輪法蘭螺孔處端面總間距H=A+B+δ=25 mm。為保證安裝后膜片平整無扭曲，則需要保證中間墊片與膜片的總厚度H′與H相等。因此，中間墊片的厚度應為H′與2組膜片的厚度之差，即FF=25-（0.5×14）=18 mm，如圖11所示。

由于中間墊片安裝厚度不足，兩組膜片的間距達不到要求值，聯接螺釘擰緊后會對膜片產生橫向（從膜片向中間墊片方向）的作用力F1，與膜片內圈相反方向的螺釘緊固力F2形成了彎曲應力，即彎矩M，如圖12所示。

圖11 撓性件連接及相關尺寸示意圖

圖12 中間墊片厚度變化使膜片彎曲應力產生

根據一些文獻對膜片聯軸器的膜片受力情況分析，膜片主要受到4 種應力，分別為：1）轉矩產生的薄膜應力；2）離心慣性力產生的離心應力；3）軸向偏移產生的彎曲應力；4）角向偏移產生的彎曲應力[4-5]。這些應力在設計的時候都經過計算機軟件計算，以確定聯軸器的許用轉矩、轉速及軸向和角向的允許偏移量。若中間墊片的厚度減小，兩膜片組外圈部分受螺釘的預緊力向中間偏移而產生彎曲，實際上也相當于聯軸器產生了軸向偏移，膜片組內圈部分向兩側偏移而產生彎曲。由于墊片厚度減小量為3 mm，減去膜片與墊片存在的間隙平均值0.5 mm，聯軸器實際的軸向偏移量大約為2.5 mm 左右，而該聯軸器的軸向最大允許偏移量為2 mm，說明已經超過設計上的允許偏移量，這就導致聯軸器膜片受到的彎曲應力過大。有研究表明，膜片聯軸器的膜片所受軸向彎曲應力比扭轉和離心應力大得多，對疲勞壽命的影響也較大，應該盡量減少軸向偏移，否則膜片使用壽命將大為縮短[3]。

維修人員對其它幾臺安全廠用水泵的聯軸器安裝情況全部進行了檢查，其它泵的墊片厚度均滿足安裝要求，且螺釘與膜片接觸部位均沒有磨損痕跡，這就說明了墊片正確安裝可以避免螺釘出現嚴重磨損。

1.4 維護情況分析

該安全廠用水泵的預防性檢查項目是定期解體檢查工作，周期為1 a。解體檢查工作中關于聯軸器的檢查內容包括：拆裝前后的對中情況檢查，靠背輪的軸孔尺寸測量，清洗各零部件并檢查有無損壞和變形情況。

此次故障聯軸器包括膜片、墊片及聯接螺釘均存在不同程度的腐蝕，這一情況在其它正常檢修的泵拆下的聯軸器部件上也同樣可以看到，如圖13 所示。說明該聯軸器的部件材料在現場較為潮濕的環境中普遍容易出現腐蝕和開裂。同樣可以說明，如果安裝符合要求，即使存在腐蝕及個別膜片出現開裂情況，螺釘也未出現磨損和斷裂，導致聯軸器出現嚴重故障。

膜片腐蝕后出現損壞和失效的概率將會提高，因此需要考慮對膜片撓性件進行定期更換。

圖13 膜片腐蝕情況對比

2 改進措施

1)完善電廠檢修規程，增加聯軸器膜片和墊片的檢查記錄和安裝要求：拆裝前后測量記錄聯軸器端面間隙δ、膜片+中間墊片厚度H′（膜片、墊片厚度分別測量），以及靠背輪端面臺階高度A、B，安裝后必須保證兩膜片組與中間墊片的厚度之和與兩靠背輪法蘭螺孔處端面間距相等，即H′=A+B+δ。2)增加聯軸器膜片的定期更換預維項目，并在解體檢查項目中增加聯軸器各部件的腐蝕檢查內容，如果檢查發現膜片、墊片和螺釘有腐蝕、裂紋或變形等缺陷則立即進行更換。3)聯合聯軸器廠家加強對部件原材料采購和制造過程的質量控制，以確保后續備件的質量得到有效提升。

3 結 語

此次聯軸器斷裂失效的主要原因為聯軸器膜片組中間的墊片安裝厚度不足，造成聯接螺釘擰緊后無法壓緊膜片和墊片，螺釘在運轉過程中受膜片局部擠壓出現磨損從而斷裂。部件材料存在制造缺陷是次要原因，造成實際的膜片材料脆性有所增加，以及螺釘組織狀態不理想，都在一定程度上促成了螺釘的斷裂和膜片出現脆性開裂。嚴格規范聯軸器墊片的安裝要求，增加定期檢查及更換膜片組件的維護項目，加強聯軸器原材料和制造過程的質量控制，能夠有效防止聯軸器斷裂故障再次發生。