离心泵泵轴发生断裂失效的原因分析
离心泵轴总是断裂的原因
离心泵轴总是断裂的原因如果泵轴断裂，大多数泵所有者会立即从制造商找原因。
然而，在大多数情况下，这不是制造商的错。
本文探讨了该问题和潜在原因。
可靠的泵制造商根据正常启动和运行因素设计离心泵轴，但有些泵制造商在异常条件下的安全余量更高。
轴断裂的主要原因通常可以追溯到操作和系统原因。
疲劳失效（也称为旋转反向弯曲疲劳引起的失效）是泵轴断裂/失效的最常见原因。
一，泵轴设计对轴断裂的影响泵轴的目的是将旋转运动和功率（扭矩）从驱动设备传递到叶轮。
•泵轴设计将扭矩作为主要参数，扭矩是最重要的设计元素（速度和功率是扭矩的积分因素）。
•泵轴设计还涉及温度、腐蚀、冶金、轴承位置、轴承尺寸、悬臂部件、预期的轴向和径向力、键槽、圆角半径、轴肩、直径变化比以及其他部件。
•此外，叶轮和联轴器等主要轴部件的轴向放置位置以及由此产生的转子动力学（如临界速度）是泵轴可靠性的主要因素。
•所有好的初始泵轴设计还都包括弯矩图和模态分析。
许多离心泵用户在泵轴断裂时，会错误地责怪泵轴材料选择，认为他们需要更坚固的轴。
但选择这种“更强”的道路往往治标不治本。
轴故障问题可能不那么频繁地发生，但根本原因仍然存在。
小部分泵轴会因冶金和制造工艺问题而失效，例如：基础材料未检测到的孔隙率、退火不当和/或其他工艺处理。
有些故障是由于加工不当造成的，例如尺寸不正确、刀具阻力、半径尖锐、研磨和抛光不当。
更小的部件由于设计余量不足而失效，无法承受扭矩、疲劳和腐蚀。
另一个归咎于制造商或用户的因素是悬臂泵中的悬臂量，简称为轴的L-D 比（表示为L3/D4，其中L是从叶轮中心线到径向轴承中心的轴向距离，D是泵轴的直径）。
它表示当泵在远离最佳效率点BEP运行时，泵轴会因径向液压力而偏转（弯曲）的程度。
图1：泵轴被不正确地加载，导致旋转弯曲故障请注意图1：泵轴外围的多个（最少15个）断裂原点。
靠近泵轴中间的较暗区域是瞬时快速断裂区。
二，治标不治本的解决方案查看最常用的泵轴材料，可以发现硬度、强度和耐腐蚀性的差异。
泵轴在高转速下运行断裂原因分析
３ ） 边 界 条 件 ：泵 轴 转 速 为 ｎ ＝ ３ ５ ６ ０ ｒ ／ ｍｉ ｎ ，联
２ ０ １ ７ 年第３ 期
， ４ ． 器 被 不
表 １ 轴 的共 振 频 率
模 式
ｌ ２
・ ４ ３ ・
轴 器 端 受 最 大扭 力约 为 Ｆ ｌ ＝ １ ４ ． ７ ７ ｋ Ｎ；装 叶轮 处 受 最大扭反力约为 Ｆ ２ ＝ １ ０ ． ０ ６ ｋ Ｎ；叶轮 垂 直 方 向受 最
中 图分类 号 ：Ｔ Ｈ３ １ １
组 织混 乱 ，材 料 的许用 应力 变小 等 【 ｌ 】 。
引 言
２ 泵轴 断裂 的分析方 法
我 公 司为 国外 客户选 了几 台单 级 双吸泵 ，原泵
设计性 能参数为 ：Ｑ ＝ １ ６ ０ ｍ ３ ［ ｓ 、Ｈ ＝ ８ ０ ｍ、 ５ ０ Ｈ ｚ 、 ｎ ＝ ２ ９ ７ ０ ｒ ／ ｍ ｉ ｎ 、ｒ ／ ＝ ８ ０ ％、轴功率 ５ ０ ｋ Ｗ；用户要求 泵性能 参数 为 ：０ ＝ ２ １ ｏ ｍ ３ ／ ｓ 、Ｈ＝ ９ ０ ｍ、厂 ＝ ６ ０ Ｈ ｚ 、 ｎ ＝ ３ ５ ６ ０ ｒ ／ ｍ ｉ ｎ 、ｒ ／ ＞７ ￣ ７ ％、电机 配套 功 率 ７ ５ ｋ Ｗ 。泵
程 序繁 琐 ，也 不直 观 ，非专 业技 术人 员很 难理 解 看
懂。
台泵的泵轴断裂了，断裂分别发生在靠近联轴器端
的轴 承处 以及 安装 叶轮 轮毂 处 。公 司派技 术人 员 到 现场 了解 泵 的安装 使用 情况 ：泵 组基 础稳 固 ，机组
轴的对中性符合要求 ，另外邻近的其它几 台泵没有 出现 断轴 现象 ，电流表 读数 正 常 ，在 同等工 况条件 下 ，这两台泵 的断轴现象令人怀疑。
失效分析案例
5 金相分析
• 材质为3Cr13轴类零件推荐热处理工艺[1,2]为1000～1050℃ 淬火，640～670℃回火，调质后组织为保留马氏体位向的 回火索氏体
1#位置放大倍数为100、200和400是的金相
2#位置不同放大倍数时的金相
3#位置不同放大倍数时的金相
金相3#试样的金相组织为马 氏体+沿奥氏体相析出的网状碳化物；1#、2#、 3#试样中可以明显看到沿奥氏体相析出的网状碳 化物，可能是淬火处理时加热温度过高或保温时 间过长引起碳化物沿晶界析出和组织晶粒粗大， 会降低材料的力学性能；1#、2#、3#试样中可以 看到马氏体，与保留马氏体位向的回火索氏体不 符，推断泵轴调质处理时回火温度偏低，该泵轴 的热处理工艺可能存在问题。
改进建议
• 1）泵轴断裂处为轴径突变的轴肩处，在满足安装 工艺的条件下可适当增大此处的过渡圆角半径， 并注意提高加工表面质量； • 2）对离心泵轴进行无损检测，查看材质内部是否 存在缺陷，防止因内部缺陷引起应力集中； • 3）控制泵轴淬火时的加热温度和保温时间，使泵 轴经调质处理后的显微组织为马氏体位向的回火 索氏体，不允许有碳化物沿晶界网状的形态出现 。
Al 61.45 51.30 18.14 43.63 -
Si 0.86 0.95 3.14 1.65 ≤1.00
Cr 1.95 4.29 9.95 5.40 12.00~1 4.00
Ni 0.55 0.18 ≤0.60
泵轴微裂纹材质中Al和O含量严重偏高，分别为43.63% 和15.60%，化学成不符合GB/T1220-2007《不锈钢棒》 标准中对3Cr13成分的规定。推断裂纹内部物质为氧化 铝，在泵轴断口附近材质内部可能存在裂纹缺陷，这可 能是导致泵轴断裂的主要原因。
泵轴断裂原因分析
Receiv ed 18 A p r il 2005; r evised 10 June 2005; accep ted 15 J une 2005 Abstract: T hr ough a great deal of ex periments, a failure axle of air - breathing pump on the top of decompression tower w as analyzed and researched in details, and then its causes of inactivation was found out. Chemical components, mechanical properties, metallurgical structure and corrosion substance in the pit of the pump axle w er e tested. By analyzing t he results of tests, thr ee main causes of the axle inactiv at ion are concluded. F irstly, non- metallic inclusions in the microsco pic structure go heav ily beyond the standard value. Secondly, microscopic structure do esn. t confor m to technical requirements. Finally, in the bottom of pump axle. s keyw ay , sectional dimension chang es g reatly, the keyw ay. s root is sharp- angled, and there ex ist many cor rosion pits. T hese defects act as shar p gaps. U nder the effect of alternately rotating and winding load, notch effects happen heav ily along t hese defects, and a v er y high local stress concentration is formed, which leads to failure due to pump axle. s fatigue fracture. O n the basis of confir ming failure causes, a pr oposal is put for ward that the relevant measures ar e taken to prevent pump axle fr om fatigue cracking too early and prolong its o perating life. Key words: Pump ax le; Fatig ue fractur e; Failure; Stress concentration * Corresponding author . T el. : + 86- 413- 6865150; fax: + 86- 413- 6865150; e- mail: zgf- fs@ 163. com
泵轴断裂分析报告
泵轴断裂分析报告1. 引言泵是工业生产中常用的机械设备，用于输送液体或气体。
然而，由于各种原因，泵轴断裂问题经常出现，给生产带来了困扰。
本报告旨在对泵轴断裂问题进行分析，找出可能的原因，并提出相应的解决方案。
2. 泵轴断裂原因分析2.1 材料问题泵轴在运转过程中承受着巨大的载荷和压力，若材料强度不够，就容易发生断裂。
可能的材料问题包括材料质量不过关、材料硬度不符合要求等。
2.2 过载问题泵在使用过程中可能会因为长时间超负荷工作导致轴的断裂。
过载问题可能源自设计不合理、操作不当等因素。
2.3 不良制造工艺泵轴制造工艺不良也可能导致断裂问题。
例如，制造过程中可能存在热处理不当、表面处理不完善等问题。
2.4 润滑不良泵轴的润滑问题也是断裂的原因之一。
如果润滑不足或使用不当的润滑剂，会导致泵轴在运作时产生过多的摩擦和磨损，最终导致断裂。
2.5 其他因素除了上述原因外，泵轴断裂还可能与设计不合理、安装不当、维护不及时等因素有关。
具体原因需要深入分析。
3. 解决方案针对泵轴断裂问题，提出以下解决方案：3.1 改进材料质量在泵轴的制造过程中，选用高强度、高硬度的材料，确保材料质量过关。
可以引入新型材料或改进现有材料的制造工艺，以提高材料的强度和耐磨性。
3.2 优化设计通过改进泵轴的设计，提高其承载能力和抗压能力。
可以在设计上增加轴的直径或优化轴的形状，从而提高泵轴的强度和抗断裂能力。
3.3 加强润滑合理选用润滑剂，并加强对泵轴的定期润滑和维护。
确保泵轴运作时摩擦和磨损的最小化，减少断裂风险。
3.4 定期检查和维护建立定期检查和维护机制，对泵轴进行全面检查和保养。
及时发现泵轴出现的问题，并采取相应的维修措施，以减少断裂的可能性。
3.5 增加安全因素在泵轴的设计和使用过程中，增加安全因素是重要的。
可以在设计中考虑疲劳寿命，并设置适当的预警装置，及时提醒操作人员进行维护和更换。
4. 结论通过对泵轴断裂问题的分析，我们可以得出以下结论：1.泵轴断裂问题可能源自材料问题、过载问题、制造工艺问题、润滑问题等多个因素的综合作用。
离心泵泵轴断裂分析
离心泵泵轴断裂分析摘要本文主要介绍某钢铁公司循环水泵在生产中出现断轴的问题，尤其是对轧钢厂某条生产线低压浊环水泵在运行中突发泵轴断裂的现象，通过对下线转子进行解体检查及研究泵组运行模式和水泵启停与阀门开关的操作顺序进行原因分析，并有针对性的提出防范及优化措施。
关键词紧密联接、剪应力、断轴前言此轧钢厂生产线主要以生产工业优特钢为主，配套循环水系统主要用于冷却轧辊、油箱、热交换器及高压水除磷等，循环水泵是整个水循环系统的核心动力输出设备，也是水系统生产工艺调节各液位实现动态平衡的重要组成部分，目前循环泵房配备了15台S型单级双吸离心泵，循环水系统的平稳运行与主线设备能否保持安全稳定生产有着密切的关系，而其中的循环水泵更是起到了至关重要的作用。
1 设备运行概况随着此轧线2013年投产，同时配套循环水系统中的S型单级双吸泵开始投用，前两年运行很稳定，故障率较低，完全可以满足生产的需要。
自2016年起开始出现较为频繁的断轴情况，极端情况时新上线转子使用时间少于300小时，水泵转子年下线台数增至多台，超出了设备标准更新频率，同时对生产的稳定运行造成了一定的隐患，因此深度剖析原因，尽快解决断轴问题势在必行。
2 S型泵结构组成、特点及工作原理2.1结构组成S型泵全称为单级双吸水平中开式离心泵，主要由泵体、泵盖、轴、叶轮、密封环、轴套、轴承部件和填料函组成。
轴的材质为优质碳素结构钢，其它零部件的材质基本上采用铸铁。
2.2结构特点（1）结构紧凑，外形美观，稳定性好，便于安装。
（2）运行平稳，优化设计的双吸叶轮使轴向力减小到最低限度，且有优异水力性能的叶型，并经精密铸造，泵壳内表面及叶轮表面极其光滑具有显著的抗汽蚀性能和高效率。
2.3工作原理水泵在启动前，必须使泵壳和吸水管内充满水，使内部形成真空状态，然后启动电动机，使泵轴带动叶轮和水做高速旋转运动，水发生离心运动，被甩向叶轮外缘，经蜗形泵壳的流道流入水泵的输出管路，实现液体的持续输出。
泵断轴的10个常见因素
泵断轴的10个常见因素很多泵用户错误地责备轴断裂时轴材料的选择，认为他们需要更坚固的轴。
但选择这条“越强越好”的道路往往是治标不治本。
轴故障问题可能发生的频率较低，但根本原因依旧存在。
一小部分泵轴会因冶金和制造工艺问题而失效，如基体材料中未检测到孔隙，退火和/或其他工艺处理不当。
一些故障是由于轴加工不当，更小的部分由于设计裕度不足以承受扭矩、疲乏和腐蚀而失效。
对于制造商或者用户来说，另外一个因素是悬臂式泵中的轴挠性系ISF=L3/D4它表示泵在偏离设计点（最佳效率点或BEP）的情况下，轴由于径向力而会偏转（弯曲）多少。
其中，D等于机械密封轴套处的轴径（mm），L为叶轮出口中心线与径向轴承之间的跨距（mm）。
图悬臂泵转子1.阔别BEP工作：偏离泵BEP的允许区域运行可能是导致轴故障的最常见原因。
阔别BEP工作会产生不平衡的径向力。
轴由于径向力而产生的挠度会产生弯曲力，每转两次。
例如，以3550rpm旋转的轴将弯曲7100次/分钟。
这种弯曲动态会产生轴拉伸弯曲疲乏。
假如挠度的振幅（应变）充足低，大多数轴都能应对多个循环。
2.轴弯曲：轴弯曲问题遵从与上述轴偏转相同的逻辑。
从具有高标准/规格的轴直线度的制造商处购买泵和备用轴。
尽职调查是审慎的。
泵轴的大多数公差在0.0254mm至0.0508mm范围内，测量值为总指示器读数（TIR）。
3.叶轮或转子不平衡：叶轮假如不平衡，泵在运行时会产生“轴窜动”。
其影响与轴弯曲和/或偏斜的结果相同，即使停止泵并检查泵轴时，泵轴仍会笔直。
可以说，叶轮的平衡对于低速泵和高速泵同样紧要。
给定时间范围内的弯曲循环次数削减，但位移的振幅（应变）（由于不平衡）保持在与较高速度系数相同的范围内。
4.流体特性：通常，与流体特性有关的问题涉及设计用于一种（较低）粘度但承受较高粘度的流体的泵。
一个例子可能很简单，选择和设计的泵可用于在95F下泵送4号燃油，然后再用于在35F下泵送燃油（相差约235厘泊）。
急冷水泵轴断裂失效分析
急冷水泵轴断裂失效分析【摘要】某车间急冷水泵于2000年投入使用，一直运行至今从未更换过。
2020年3月12日，发现机械密封泄露，随即切泵检修，发现泵轴整体断裂。
采用宏观检验、化学成分分析、硬度检测以及金相组织检验等方法对此断轴进行了综合分析。
结果表明：该轴断裂主要原因是制造过程中热处理不好以及高周疲劳。
【关键词】断轴；热处理；疲劳某厂乙烯装置有三台相同型式的离心泵，均为BB1型卧式轴向中开的双支离心泵，为2000年投用。
自2020年2月份以来，该泵运行期间，轴振动烈度数值较高，车间于2月中旬对其进行监控运行。
2020年3月12日21点30分，车间操作人员巡检发现该泵两侧轴端机械密封泄漏，随即启动备用泵，将该泵做隔离倒空处理。
对其进行解体检修处理时发现转子组件主轴断裂：一.泵的主要参数设计流量：827M3/h；扬程：77M；轴功率：290KW；转速：1480rpm；输送介质：急冷水；泵轴材质：AISI4140，相当于国产的42CrMo。
二. 检验与分析2.1 宏观检验对断轴进行宏观观察，发现泵轴断裂部位位于轴套一端靠近叶轮侧，断口外沿平齐，没有明显的宏观塑性变形，为脆性断裂。
断裂起源于轴的键槽附近部位，断口由清晰可见的三个区组成，即疲劳源区；疲劳裂纹扩展区，又称贝纹线区以及最后断裂区或瞬断区，是典型的疲劳断裂断口。
疲劳源区是疲劳裂纹的核心区。
一般在轴的表层或近表层，是一个非常光滑的区域，这主要是由于疲劳裂纹在该区扩展速度很慢及疲劳裂纹反复张开闭合而使断面磨光的缘故。
B区为疲劳裂纹扩展区，其形态如贝壳状，又称贝纹线区。
由于泵轴在旋转的同时还承受附加弯曲应力，因此该贝纹线不是等距离的。
当疲劳裂纹扩展到一定尺寸后，轴所剩材料面积不足以承受外力时，便产生快速断裂，从而产生了最后破坏区，宏观表现为高低不平的粗糙的灰色断口。
同时，因为该泵轴为旋转弯曲疲劳断裂。
故其最后破坏区的位置不在裂纹源的对面，而是相对于轴的旋转方向偏离一个角度。
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离心泵泵轴发生断裂失效的原因分析作者：金雪红刘航泊戴贵荣
来源：《中国化工贸易·下旬刊》2018年第08期
摘要：轴在泵中的主要作用是将电动机的转矩传递给叶轮，它是传递机械能的主要部件，轴断裂会使泵的主要部件受到很大的伤害。
关键词：离心泵；泵轴；断裂失效
1 泵轴材料分析
1.1 成分分析
采用只读光谱仪ARL3460进行标样分析：
断轴本体的化学成分如表1所示。
由表1的结果可知，轴的材质符合GB/T1220。
1.2 力学性能分析
在泵轴上取一段长度为150mm的试料，按GB/T2975-2009加工成试棒，利用液压式万能材料试验机SHT4605按照GB/T228-2009对其进行力学性能实验，测试结果见表2。
由表2和表3的数据对比可知此断裂泵轴主要力学性能均达到GB/T1220-2007所规定的标准值。
2 轴受力分析
由于泵运转过程中泵轴螺母段受轴向力、扭转应力、预紧力等多种形式力，因此需要对轴的强度进行校核。
因为轴是从叶轮螺母处断裂，因此可以把这一段定位危险断面，此处主要承受叶轮轴向力及叶轮螺母预紧力。
2.1 压应力
根据实际参数：流量Q=170m3/h，揚程H=110m，转速n=1450r/min，入口压力
p=0.6MPa，介质（黑水）密度ρ=980kg/m3，功率P=132kW，最小轴径d=27mm，螺纹孔内径d1=12mm，可得：轴向力A=19401N（计算公式引用《现代泵技术手册》。
由于叶轮螺母处由于装配、水力等原因，实际受力情况比较复杂，还有一些力无法量化计算，此处安全系数还比较小。
3 断面分析
①断裂处为轴头螺纹根部退刀槽处，螺纹为M30，退刀槽段最小直径Φ27，为圆弧过渡，过渡区有一钝刀痕迹，根据经验此处易产生应力集中；②断口出现不规则形状且绕中心成扭曲形态，说明其产生了塑性变形，而非脆性断裂；③观察轴断面可以看到断裂处有明显颈缩现象，表面有介质腐蚀或者高温留下的一层氧化膜，断口中心已经开裂。
4 结束语
综上所述，泵轴材质及力学性能满足，然轴头加工螺纹时设有退刀槽且有锐利尖角，致使泵运转时应力集中于退刀槽处，轴头钻有M12的螺丝，使其抗疲劳强度大大降低，当泵运转一段时间后，轴在应力过于集中、抗疲劳强度降低的情况下发生颈缩现象，材质表面出现裂纹且向内部延伸，当外部作用于轴上的力超过其临界值时，轴从最脆弱处即退刀槽处发生断裂失效。
参考文献：
[1]关醒凡.现代泵理论与设计[M].北京：中国宇航出版社，2011（4）.。