機泵軸承箱支座斷裂失效分析

王軍明，商顯棟，李明超，張乃昕，申孝民，宋明大

(1.中國石化齊魯分公司熱電廠，山東 淄博 255400； 2.山東省特種設備檢驗研究院有限公司，山東 濟南 250101；3.中國石油大學(華東)新能源學院，山東 青島 266580)

某機泵軸承箱工作環(huán)境為高溫高壓介質(zhì)，并且高速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)受多種復雜、交變的作用力。葉輪是汽輪機轉(zhuǎn)子中承受應力最大的零件之一，經(jīng)常發(fā)生軸承箱斷裂、漏油等事故[1-4]。產(chǎn)生巨大的安全隱患，嚴重影響機泵安全運行。

針對軸承箱振動、漏油、應力集中和鑄造缺陷等問題，國內(nèi)外學者進行了深入研究。閆楠[5]報道了內(nèi)蒙古蒙泰不連溝煤業(yè)有限責任公司煤矸石熱電廠2×300 MW循環(huán)流化床機組，自投運以來，1#、2#爐四臺引風機均有不同程度的漏油現(xiàn)象。通過對引風機軸承箱漏油問題進行綜合分析，徹底解決了引風機軸承箱頻繁漏油問題。廖長城等[6]介紹了三門核電除鹽水輸送泵軸承箱漏油的原因及排查方向，并提出了相應的改進措施，可為類似泵的漏油缺陷處理或軸承箱設計提供參考。

1 失效概況

某橡膠廠丁二烯車間第一萃取精餾塔液泵(B207a)機封泄漏，引發(fā)起火事故。該機泵為2004年投入使用，使用過程中該泵所有零部件未更換。帶動機泵電動機為2011年8月生產(chǎn)，型號為YBШ-280S-2W，額定功率75 kW，額定電流133 A，轉(zhuǎn)速2 973 r/min。機泵依據(jù)API610第6版設計，選用OH2型中心線安裝的單級懸臂式泵。機封機構(gòu)形式為：單端面多彈簧+自沖洗，型號DTM65。機泵型號為：200AYⅡ-150D。輸送介質(zhì)為碳四/乙腈(注：乙腈占比90%，乙腈分子式為C2H3N，為無色液體，燃點為524 ℃)，介質(zhì)溫度75 ℃，額定流量252 m3/h，揚程90 m，入口設計壓力0.5 MPa，出口設計壓力1.2 MPa。B207a泵軸承箱材料為HT200，支座斷裂部位周圍接觸介質(zhì)為空氣，同型號機泵整體拆解結(jié)構(gòu)及軸承箱支座斷裂部位如圖1所示。

圖1 斷裂位置及形貌

對事故機泵部件進行拆解，發(fā)現(xiàn)軸承箱支座發(fā)生斷裂，聯(lián)軸器發(fā)生整體扭曲變形，如圖2所示。為探究其開裂原因，在軸承箱支座開裂部位取樣進行失效分析。

圖2 泵軸與電動機聯(lián)軸器

2 宏觀檢查

機泵拆解后，發(fā)現(xiàn)泵軸同電動機軸通過聯(lián)軸器進行

連接，事故發(fā)生后聯(lián)軸器整體扭曲變形，泵軸整體抽出后未見明顯彎曲變形。機泵側(cè)聯(lián)軸器法蘭面受力掰開，電動機側(cè)聯(lián)軸器法蘭面同時受力掰開，但法蘭面受力掰開方向與機泵側(cè)相反。同時聯(lián)軸器向電動機側(cè)傾斜下沉，推斷聯(lián)軸器變形主要受力方向為電動機側(cè)，如圖3所示。電機負荷端軸頭彎曲變形約20°，軸承內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)子顏色呈藍黑色，有明顯過熱痕跡。

圖3 聯(lián)軸器法蘭

繼續(xù)對軸承箱支座斷裂處進行拆解，取出葉輪后，發(fā)現(xiàn)軸承箱支座4處變截面處發(fā)生斷裂，4處固定螺栓孔位置全部斷裂，拼接完整軸承箱支座斷裂形貌如圖4所示。

圖4 斷裂部位軸承箱支座拼接復原

對軸承箱支座取樣進行分析，發(fā)現(xiàn)軸承箱支座固定法蘭盤斷裂成為8部分，4處位于變截面處，4處位于螺栓孔處，斷口位置大體呈中心對稱，未見明顯塑性變形。為進一步取樣分析，將支座斷裂的8個部分逆時針依次編號為#1至#8，如圖5所示。1#變截面及2#螺栓孔斷口處存在收縮及氣孔等原始鑄造缺陷，見圖6。

圖6 鑄造缺陷

圖5 軸承箱支座8處斷口

3 實驗分析

3.1 斷口分析

觀察軸承箱支座斷口宏觀形貌，發(fā)現(xiàn)所有斷口表面未附著較厚腐蝕產(chǎn)物，只存在一層浮銹，斷口表面顏色均勻，未發(fā)現(xiàn)不同形貌斷裂區(qū)域，斷口表面粗糙，未見平滑部分，排除斷口為疲勞斷口的可能性。所有斷口表面未見明顯塑性變形，初步判斷斷口為脆性斷口，如圖7所示。

圖7 軸承箱支座斷口宏觀形貌

對2#變截面處及4#螺栓孔處斷口超聲清洗去除油污后，應用緩蝕劑去除表面銹跡，進行掃描電鏡檢測，發(fā)現(xiàn)2#斷口為解理形貌，4#斷口為解理及準解理形貌。判斷斷口為脆性斷口，如圖8所示。

圖8 軸承箱支座斷口微觀形貌

3.2 微觀組織分析

依據(jù)GB/T7216—2009《灰鑄鐵金相》[7]對4#變截面斷口橫截面取樣進行顯微組織檢測，發(fā)現(xiàn)軸承箱支座顯微組織為片狀和球狀分布的珠光體基體+A型石墨，為正常灰鑄鐵組織，如圖9所示。

圖9 4#變截面斷口橫截面顯微組織

3.3 斷口能譜分析

對圖7(d)所示試樣斷口腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析，微觀形貌見圖10，能譜分析結(jié)果如表1所示。結(jié)果顯示，腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物。

圖10 溫度隨加熱時間變化關系

表1 腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果 %

圖10 內(nèi)表面處腐蝕產(chǎn)物形貌及測試位置

3.4 化學成分分析

軸承箱支座的設計材質(zhì)為HT200，采用移動式光譜儀對取樣支座斷裂試樣進行化學成分分析，判斷其材料是否符合標準要求。化學成分分析結(jié)果見表2。據(jù)分析結(jié)果可知，軸承箱支座的化學成分符合GB/T 9439—2010《灰鑄鐵件》[8]中對HT200的要求。

表2 葉輪化學成分分析結(jié)果 %

4 開裂原因分析

(1)由宏觀檢查可知，軸承箱支座斷裂部位均為螺栓孔及變截面應力集中部位，斷裂位置大體呈中心對稱，推斷支座法蘭盤斷裂時受力較均勻。法蘭盤變截面及螺栓孔在運行過程中受到振動載荷和軸不對中產(chǎn)生的扭矩力的影響。由電動機側(cè)大軸負載端彎曲變形及聯(lián)軸器損壞形態(tài)可知，聯(lián)軸器變形主要受到電動機軸彎曲產(chǎn)生的扭矩力。聯(lián)軸器受到較大扭矩力后會通過軸承箱及機封結(jié)構(gòu)傳遞給軸承箱支座定位及變截面處。軸承箱支座在電動機軸彎曲轉(zhuǎn)動時會受到較大的扭矩力沖擊。

(2)斷口處接觸介質(zhì)為大氣，在一定條件下會在斷口表面生成浮銹。宏觀斷口分析可知，斷口表面粗糙，未見平滑部分，排除斷口為疲勞斷口的可能性。斷口上均未發(fā)現(xiàn)較厚腐蝕產(chǎn)物，斷面形貌一致，應為新產(chǎn)生或同一時間產(chǎn)生斷口，排除支座發(fā)生應力腐蝕開裂的可能性。

(3)機泵軸承箱材料為HT200，為灰鑄鐵。由斷口處顯微組織分析可知，軸承箱支座顯微組織為片狀和球狀分布的珠光體基體+A型石墨，為正常的灰鑄鐵組織[9]。鑄鐵材料碳含量較高，受外載荷沖擊時容易發(fā)生脆斷。支座變截面及螺栓孔處存在收縮及氣孔鑄造缺陷，會降低支座承載能力。由宏微觀斷口分析可知，軸承箱支座斷裂部位無塑性變形，均為脆性斷口[10]。綜合分析判斷軸承箱支座斷裂為受較大外力沖擊而產(chǎn)生的脆斷。

5 結(jié) 論

機泵軸承箱支座斷裂原因為：軸承箱支座法蘭盤變截面及螺栓孔處瞬間承受電動機側(cè)機軸彎曲產(chǎn)生的較大扭矩力，導致支座灰鑄鐵材料受到?jīng)_擊而發(fā)生脆斷。機泵等動設備定期檢修過程中應加強對該部件的檢查。