王軍明，商顯棟，李明超，張乃昕，申孝民，宋明大

(1.中國(guó)石化齊魯分公司熱電廠，山東 淄博 255400； 2.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250101；3.中國(guó)石油大學(xué)(華東)新能源學(xué)院，山東 青島 266580)

某機(jī)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(fù)雜、交變的作用力。葉輪是汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中承受應(yīng)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(yán)重影響機(jī)泵安全運(yùn)行。

針對(duì)軸承箱振動(dòng)、漏油、應(yīng)力集中和鑄造缺陷等問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入研究。閆楠[5]報(bào)道了內(nèi)蒙古蒙泰不連溝煤業(yè)有限責(zé)任公司煤矸石熱電廠2×300 MW循環(huán)流化床機(jī)組，自投運(yùn)以來(lái)，1#、2#爐四臺(tái)引風(fēng)機(jī)均有不同程度的漏油現(xiàn)象。通過對(duì)引風(fēng)機(jī)軸承箱漏油問題進(jìn)行綜合分析，徹底解決了引風(fēng)機(jī)軸承箱頻繁漏油問題。廖長(zhǎng)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(yīng)的改進(jìn)措施，可為類似泵的漏油缺陷處理或軸承箱設(shè)計(jì)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(jī)封泄漏，引發(fā)起火事故。該機(jī)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(dòng)機(jī)泵電動(dòng)機(jī)為2011年8月生產(chǎn)，型號(hào)為YBШ-280S-2W，額定功率75 kW，額定電流133 A，轉(zhuǎn)速2 973 r/min。機(jī)泵依據(jù)API610第6版設(shè)計(jì)，選用OH2型中心線安裝的單級(jí)懸臂式泵。機(jī)封機(jī)構(gòu)形式為：?jiǎn)味嗣娑鄰椈?自沖洗，型號(hào)DTM65。機(jī)泵型號(hào)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(wú)色液體，燃點(diǎn)為524 ℃)，介質(zhì)溫度75 ℃，額定流量252 m3/h，揚(yáng)程90 m，入口設(shè)計(jì)壓力0.5 MPa，出口設(shè)計(jì)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(hào)機(jī)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(duì)事故機(jī)泵部件進(jìn)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(jìn)行失效分析。

圖2 泵軸與電動(dòng)機(jī)聯(lián)軸器

2 宏觀檢查

機(jī)泵拆解后，發(fā)現(xiàn)泵軸同電動(dòng)機(jī)軸通過聯(lián)軸器進(jìn)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(jī)泵側(cè)聯(lián)軸器法蘭面受力掰開，電動(dòng)機(jī)側(cè)聯(lián)軸器法蘭面同時(shí)受力掰開，但法蘭面受力掰開方向與機(jī)泵側(cè)相反。同時(shí)聯(lián)軸器向電動(dòng)機(jī)側(cè)傾斜下沉，推斷聯(lián)軸器變形主要受力方向?yàn)殡妱?dòng)機(jī)側(cè)，如圖3所示。電機(jī)負(fù)荷端軸頭彎曲變形約20°，軸承內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)子顏色呈藍(lán)黑色，有明顯過熱痕跡。

圖3 聯(lián)軸器法蘭

繼續(xù)對(duì)軸承箱支座斷裂處進(jìn)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(fù)原

對(duì)軸承箱支座取樣進(jìn)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(duì)稱，未見明顯塑性變形。為進(jìn)一步取樣分析，將支座斷裂的8個(gè)部分逆時(shí)針依次編號(hào)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(shí)驗(yàn)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(duì)2#變截面處及4#螺栓孔處斷口超聲清洗去除油污后，應(yīng)用緩蝕劑去除表面銹跡，進(jìn)行掃描電鏡檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)2#斷口為解理形貌，4#斷口為解理及準(zhǔn)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(duì)4#變截面斷口橫截面取樣進(jìn)行顯微組織檢測(cè)，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?；诣T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(duì)圖7(d)所示試樣斷口腐蝕產(chǎn)物進(jìn)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(shí)間變化關(guān)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(cè)試位置

3.4 化學(xué)成分分析

軸承箱支座的設(shè)計(jì)材質(zhì)為HT200，采用移動(dòng)式光譜儀對(duì)取樣支座斷裂試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，判斷其材料是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求?；瘜W(xué)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(xué)成分符合GB/T 9439—2010《灰鑄鐵件》[8]中對(duì)HT200的要求。

表2 葉輪化學(xué)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(yīng)力集中部位，斷裂位置大體呈中心對(duì)稱，推斷支座法蘭盤斷裂時(shí)受力較均勻。法蘭盤變截面及螺栓孔在運(yùn)行過程中受到振動(dòng)載荷和軸不對(duì)中產(chǎn)生的扭矩力的影響。由電動(dòng)機(jī)側(cè)大軸負(fù)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(dòng)機(jī)軸彎曲產(chǎn)生的扭矩力。聯(lián)軸器受到較大扭矩力后會(huì)通過軸承箱及機(jī)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(dòng)機(jī)軸彎曲轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)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(huì)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(yīng)為新產(chǎn)生或同一時(shí)間產(chǎn)生斷口，排除支座發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的可能性。

(3)機(jī)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(shí)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(huì)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(wú)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(jī)泵軸承箱支座斷裂原因?yàn)椋狠S承箱支座法蘭盤變截面及螺栓孔處瞬間承受電動(dòng)機(jī)側(cè)機(jī)軸彎曲產(chǎn)生的較大扭矩力，導(dǎo)致支座灰鑄鐵材料受到?jīng)_擊而發(fā)生脆斷。機(jī)泵等動(dòng)設(shè)備定期檢修過程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該部件的檢查。