JZ9-3 油礦掃艙泵傳動軸斷裂原因分析

楊天郁，胡志成，楊旭斌，鞠兆剛，劉志偉

（中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300457）

1 JZ9-3 油礦掃艙泵

JZ9-3 油礦掃艙泵采用的是美國GOULDS PUMPS 公司生產的立式長軸泵深井泵，流量249.8 m3/h，揚程112 m，工作介質為污油水，電機功率為192 kW，轉速2975 r/min，電機啟動方式為全壓啟動，傳動軸直徑30.1 mm，單根長度956 mm，材質416ss，共20 根首尾相連，泵為兩級葉輪。1999 年投入使用，主要用于排出儲油沉箱內沉在原油底層的水，工作方式為間歇式運轉，每天運轉兩次，每次運轉30 min。

2 故障情況

2008 年3 月，掃艙泵運轉過程中出現持續高振，最終泵軸斷裂，之后進行了投用以來的第1 次提泵大修，除襯套是自行測繪加工之外，其余配件均為原廠配件。但大修后使用8 個月之后再次出現高振后泵軸斷裂。再次更換了所有的襯套和傳動軸，其中有6 根傳動軸為國產化加工，使用1 個月后，又出現上述情況，不同的是斷裂的傳動軸為國產件。第3 次維修時改變了襯套材料，重新加工了6 根傳動軸，此次更換只使用了一個星期，仍然出現高振后泵軸斷裂，斷裂傳動軸仍然是國產件。每次拆檢發現都是傳動軸與襯套之間的配合間隙嚴重超差，部分泵軸磨損嚴重，都是在靠近泵的傳動軸在螺紋的尾部斷裂（前3 次靠近泵第2 根，第4 次靠近泵的第4 根），最后一次拆檢時發現襯套脫離襯套座。

3 原因分析

3.1 裝配可能存在的問題

掃艙泵的傳動軸靠一個左旋螺紋套連接相鄰的傳動軸，揚水管中的扶正襯套做支撐（圖1）。傳動軸的同軸度靠自身加工精度與螺紋套的加工實現，與安裝沒有關系，只有襯套和揚水管的安裝精度會影響傳動軸的傳動精度。

圖1 掃艙泵結構示意

襯套在軸向沒有定位，與襯套座過盈配合。襯套與襯套座之間的過盈量過小，在泵運轉過程中會使襯套沿軸向竄動，最終脫離襯套座，導致傳動軸失去支撐，直接與襯套座摩擦，摩擦力急劇增大產生高振，傳動軸承受交變載荷，在最薄弱處產生疲勞斷裂。

相鄰兩節揚水管間的同軸度靠兩端凹凸法蘭的配合實現，安裝時法蘭面留有銹蝕、雜物，或法蘭邊緣凸起的高點都會影響揚水管的同軸度。另外，掃艙泵投產時間較長，揚水管法蘭的配合間隙由于銹蝕的原因略有增大，如在安裝過程中不調整揚水管的安裝位置也會影響其同軸度，揚水管不同軸會導致傳動軸偏磨襯套，大大縮短襯套的使用壽命。

3.2 國產化配件的選材和加工工藝問題

3.2.1 材料選擇問題

掃艙泵所有國產化配件的材料均是按完工圖紙中的規定，比對成國內相對應的材料。

襯套的材料為CARBON，翻譯成中文為“碳”，石墨耐磨性好、自潤滑性良好，是制作襯套的常用材料，并且主要化學元素就是碳，所以圖紙中的CARBON 就是指石墨。第1、第2 次維修均選用石墨加工襯套，但從檢修的情況來看，磨損非常嚴重，由此分析國外的CARBON 與國內的石墨還有一定的差別；第3 次維修選用了承載能力強、自潤滑能力好、耐磨性好的填充聚四氟乙烯，但其硬度低、回彈性差，安裝時采用和石墨襯套同樣的過盈量，不能有效限制其軸向竄動。另外，填充聚四氟乙烯的熱膨脹系數大，采用和石墨襯套同樣的徑向間隙，受熱后會使軸和襯套粘合在一起旋轉，造成襯套座內壁與襯套的外徑摩擦，襯套會產生不規則的軸向位移，嚴重情況下會脫離襯套座。最后一次檢修更換的填充聚四氟乙烯襯套與原石墨尺寸一致，所以填充聚四氟乙烯襯套的過盈量和徑向間隙均偏小，有可能是泵軸斷裂的重要原因。

傳動軸在圖紙中規定的材料牌號為416ss，與之相對應的國內材料為1Y1Cr13，是一種馬氏體不銹鋼，由于少量的1Y1Cr13材料不易購買，每次加工傳動軸都采用與之性能相近的1Cr13，雖然材質牌號相對應，化學元素也基本相同，但第2、第3、第4次傳動軸斷裂均為國產化軸，因此有兩種可能：其一，1Cr13 不如416ss 的強度高；其二，所購買的材料是不符合要求的1Cr13，因此可以通過力學試驗來澄清這一問題。

3.2.2 傳動軸受力分析

掃艙泵屬于液下兩級離心泵，泵在運轉過程中發生扭轉，傳動軸受葉輪做功產生的轉矩MB,與襯套摩擦會形成阻礙泵軸轉動的轉矩MC，電機提供的轉矩MA，3 個扭矩的關系為MA=MB+MC。由于多級離心泵在運轉過程中會產生一定的軸向F2，該力由電機的推力軸承所承受，反作用力為F1（圖2）。泵軸是電機連接泵頭傳遞扭矩的部件，即泵軸在工作中既是受拉也是受扭轉兩個方面的力。判斷國產軸是否滿足強度要求無需校核強度，只需對國產化泵軸和進口泵軸取樣做拉伸強度試驗和扭轉強度試驗即可。按照國家標準將泵軸做成試件，在室溫狀態下測得的試驗數據見表1。

圖2 傳動軸受力分析

從表1 可以看出，國產化傳動軸的各項參數優于進口傳動軸，由此判斷國產化傳動軸強度滿足使用要求。

表1 材料力學性能數據

3.2.3 國產化配件加工工藝問題

傳動軸斷裂處每次都是在螺尾，說明在螺尾處產生了應力集中，后三次斷裂的傳動軸均為國產化配件，由于傳動軸兩端的螺紋為左旋螺紋，普通車床車削螺紋時從傳動軸的中部往端部進刀，傳動軸螺尾處都留有三角形的進刀槽，進口泵的傳動軸是數控車床加工，沒有進刀槽，因此國產化傳動軸的危險截面面積小于進口傳動軸，這也是在同有國產化傳動軸和原裝配件的情況下國產化傳動軸斷裂的主要原因。

個別傳動軸在與襯套配合處有明顯的偏磨痕跡，說明軸并不是圍繞著軸心旋轉，而是處于偏心運轉狀態，部分與襯套進行摩擦，這種現象除了是傳動軸與襯套間的間隙過大造成的以外，就是軸兩端的螺紋的軸心與傳動軸軸頸不同軸，導致兩兩相連的傳動軸不同軸。

襯套是直接加工成形，然后用專用工具壓入就可以使用，位置精度全靠襯套座保證，但從未對揚水管內的襯套座進行過同軸度檢測，如果同軸度有偏差，勢必影響襯套座的位置精度。

3.3 介質變化的影響

在拆檢泵的過程中發現泵內介質中含有細砂和直徑1～2 mm 的固體顆粒。裝泵初期泵軸與襯套的間隙較小，細砂相當于磨料，快速磨損襯套和泵軸，將間隙擴大，后續直徑較大的粒徑進出襯套會將泵軸和襯套卡死，如果多個襯套同時進入磨料，則傳動軸非常容易折斷。介質中含砂和較大的固體顆粒是傳動軸斷裂的重要原因。

4 改進措施

由于工況改變，需要提高泵軸的強度和表面耐磨度：改變傳動軸材料，選用淬透性和強度更好的42CrMoA，并經鍛造、調質等工藝提高強度；泵軸表面需要更加耐磨，進行鍍硬鉻處理，磨削后提高表面耐磨度；從試驗結論看，進口泵軸的安全系數較低，因此泵軸的加工不切退刀槽，避免應力集中，兩端螺紋必須保證同軸度；襯套采用填充聚四氟乙烯材料，增加導流槽，將過盈量增加至原來的一倍，并在導槽內增加軸向固定，防止其竄動。

5 結語

改進后的傳動軸已連續使用超過8 年，未出現斷裂故障，證明了斷裂原因分析準確、改進措施合理。通過解決傳動軸斷裂問題得出：進口零件的安全系數選用與工況相關，工況發生變化必然會發生故障。因此，在做國產化研究的過程中不能只做表面的模仿，要從原理上透徹分析后再深入研究加工工藝。