广州广一泵业有限公司门市部

 近年来，以节约厂用电为目的的变频调速技术由于节电效果明显得到迅速推广，但在实施改造中也存在一些问题，如泵固有频率进入变频器的工作频率区引起的共振现象、泵轴发生断裂或损伤等，直接影响到机组的安全经济运行某火电厂#5冷凝泵为NLT350-400型筒袋型立式多级离心泵，轴用材质为35CrMo钢，泵进口压力0.03MPa，流量709.22t/h，转速1480r/min，轴功率710kW，配套电机额定功率900kW，电压6kV，转速1500r/min，频率50Hz。采用变频改造后该凝泵的运行频率确定为45Hz，实际运行频率为40~42Hz。运行中发现凝泵振动明显加大，并发生泵轴断裂。本文对#5凝泵轴断裂原因进行了试验分析。

一、试验检测情况

采用Quanta400扫描电镜（SEM)观察#5凝泵轴断口形貌，用它附带的美国NORANQUESTL2能谱仪（EDS)分析断口产物成分；采用电感耦合等离子体光谱（ICP-OES)分析泵轴化学成分；在台式光学显微镜Lee。500下进行泵轴金相组织观察；在MTS80电液伺服材料试验机上测试泵轴的室温力学性能。

二、广一泵业对试验结果分析与讨论

1、宏观检查

如图1所示，#5凝泵轴沿截面断裂。宏观断口具有灰色金属光泽，断裂面上放射棱明显，为典型的髙周疲劳断口。其中图1-A中标识1、标识2分别为纤维区、放射区，标识1中间部位为瞬断处。图1-B为泵轴圆周表面形貌，可见#5凝泵轴圆周表面有很多微小凹坑，尤其圆周处边缘有较多微裂纹。

2、广一水泵厂分析化学元素成分

对#5凝结水泵轴取样进行化学元素成分分析，分析结果见表1。从试验数据看，#5凝结水泵轴碳含量处于GBT/3077-1999标准值的下限，其它元素含量符合GBT/3077-1999标准要求。

3、力学性能分析

对#5凝结水泵轴断裂处附近取样进行室温力学性能试验，试验数据分别见表2。#5凝结水泵轴原始出厂力学性能数据符合JB/T1271-2002交直流电机轴锻件技术条件及出厂标准，其出厂标准高于JB/T1271-2002，但屈服强度及抗拉强度值不符合GB3077-1999合金结构钢中标准要求，由此推断#5凝结水茱轴力学性能执行出厂标准及JB/T1271-2002。另外断裂后#5凝结水泵轴屈服强度及抗拉强度明显低于原始出厂值，说明其力学性能下降较多，其力学性能值已不能满足出厂标准要求，虽然满足JB/T1271-2002标准要求，但已接近其下限。

4、金相组织分析

如图2所示，#5凝结水泵轴金相组织为回火贝氏体+回火索氏体，泵轴金相组织无网状晶界及其它缺陷，组织正常。

5、广一泵分析#5凝结水泵轴扫描电镜断口

#5凝结水泵轴断面取样部位1为断裂面的纤维区，如图3-1、3-2所示。断口形貌表明#5凝结水泵轴断裂形式为晶界刻面的冰糖状沿晶断裂，并且晶界上有不连续夹杂物，EDS分析结果显示夹杂物主要由0、Si、Mo、Cr、Fe元素组成，0、Si、Mo、Cr、Fe质量比与原子比分别为15.49%、0：51%、0.50%、1.45%、82.05%与38.91%、0.73%、0.21%、1.12%、59.03%，说明夹杂物是脆性氧化物，这些脆性氧化物形成断裂源。

#5凝结水泵轴断面取样部位2与取样部位3为断裂面的放射区与放射棱，如图3-3所示。图3-3-(2)表明放射区有明显的疲劳条带，在图3-3-(3)中，放射棱形貌为不规则分层状，说明#5凝结水泵轴运行及断裂过程中应力非恒定不变，验证了该泵轴变速运行所受载荷为变化载荷。放射棱层状微观断裂形式与纤维区断裂形式相同，也为冰糖状沿晶断裂。

6、综合分析

#5凝结水泵轴断口形貌分为纤维区与放射区，纤维区是裂纹缓慢扩展区，位于断口的中心并围绕断裂源，断裂源起始于脆性氧化物夹杂相，放射区紧接纤维区呈放射状花样，在放射区裂纹由缓慢扩展转化为快速的不稳定扩展，裂纹扩展方向沿放射棱发散方向。另外由于#5凝结水泵实施变频改造，频率在一定范围内瞬时改变，其转速随着频率瞬间变化而不同，菜轴受力为变化载荷。在单向变化载荷作用下，材料发生局部滑移并随着循环次数的增加逐步形成滑移线与滑移带。其中一部分滑移带驻留进而在其它滑移带上形成挤出峰挤入槽现象，即在边界上萌生了疲劳裂纹，表面缺陷起着尖缺口的作用，使应力集中促进疲劳裂纹形成，在#5泵轴圆周边缘处可见许多微裂纹（图1-B)，这些泵轴圆周表面处首先发生的微小裂纹沿着45。倾斜方向扩展，当疲劳裂纹扩展至临界尺寸（即部件剩余截面不足以承受外载时的尺寸）后发生失稳快速破.断，在轴的中央部位汇合，形成瞬断区。#5泵轴实际运行频接近共振频率（37~38Hz)，现场发现该泵轴断裂前振动较固定频率（50Hz)下明显加大，也加剧了泵轴圆周处裂纹的形成与扩展。所以#5凝结水泵轴断裂源为多个断裂源，包括纤维区中心部位由脆性氧化物夹杂相与变频改造后由于变化载荷在泵轴圆周处形成的微裂纹。轴类等金属部件发生的疲劳破坏一般为突然断裂，断裂前无显著变形，很难预査与防范，其原因不仅取决于材质，而且和部件的形状尺寸、表面状态、部件材料内部宏观、微观的不均匀性等因素有关，另外部件使用条件、外界环境对材料抗疲劳性能的影响也较大。#5凝泵轴变频改造后运行工况由定速转为变速运行，栗轴对材质及其性能要求也应有所不同。原#5凝泵轴设计基于定速运行工况，化学成分C含量处于下限，力学性能值执行厂标准及JB/T1271-2002，众所周知，C含量是影响强度的主要因素，#5凝泵轴断裂时屈服强度及抗拉强度下降较多，可见需对变速运行工况下泵轴材质及性能要求作修订考虑。

四、广一水泵厂总结结论及给出一些建议

1)#5凝结水泵轴断裂为典型髙周疲劳断裂，断口形式为沿晶脆断，断裂源包括脆性氧化物夹杂相及变频改造后变化载荷在泵轴圆周处形成的微裂纹。

2)由于原#5泵轴设计在固定频率50HZ下进行，建议实施变频改造后重新对泵轴适用性进行评价。另外，变频改造后凝结水泵有振动加大现象，建议加强定期检査并进行消振处理，防止类似泵轴断裂事故发生。

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