大型离心泵轴断裂原因分析

・３４・　小兼柱采　２０１６年第６期　大型离心泵轴断裂原因分析　谭建均　王天周　吴云泽　杨　谕　杜敏溢　徐　俊　（１一汀苏省（丹阳）高性能合金材料研究院，江苏丹阳，２１２３４５；２一重庆水泵厂有限责任公司，重庆，４０００３３）　摘要：某大型ｌ＿【业离心泵和起动运行中泵轴在全功率输入端的动静部件配合处发生断裂。通过外观检查、材料成分　分析、断口分析、金相组织分析、力学性能测试以及结构和应力分析等手段对断裂原　进行诊断和分析。结果表明，材　质确为３５ＣｒＭｏＶ，基体组织为回火索氏体加少量粒状贝氏体，力学性能远优于设计参数。究其断裂原因，主要是由于现　场操作人员违规操作，导致低压进水端腔室Ｇ未被输送介质充满，使轴套等动静转子部件之间发生干摩而热量无法及　时扩散开，引起轴表面温度剧升而发生软化；当轴表面的抗剪强度低于轴表面所承受的最大剪应力时，就会首先在轴表　面产生裂纹进而存剪应力的作用下发生扩展直至轴发生断裂。　

关键词：离心泵泵轴断裂非金属夹杂物失效分析　中图分类号：ＴＨ３１１　文献标识码：Ｂ　

己Ｉ吉　Ｊ　Ｉ　口　某泵公司一台大型多级离心泵作为备用泵在客　户观场安装调试完成后不到一个月的时间，在肩用　该备用泵时泵轴发生断裂，如图１所示。此泵轴材　质为３５ＣｒＭｏＶ钢，经锻造、预热处理、性能热处　理、力学性能检验合格后机械加工而成。断裂位　位　』：动静部件配合处。南于泵轴的实际使用时间远　低于没计鸯命，出现过早失效，因此有必要对泵轴　的材质、性能、断　及附近梢关联部件的痕迹、现　场使朋情况等进行分析，找　泵轴断裂原因，从而　避免再次发生类似断裂事故．　１泵轴材料分析　１．１成分分析　采用ｘ射线荧光光谱（ＸＲＦ）标样分析，轴本　罔１泵轴断裂实物图　体的化学成分如表１所示。由表１的结果可知，成　分满足ＧＢｆＦ　３０７７中关于３５ＣｒＭｏＶ合金成分的要　求（标定标准），因此泵轴材质成分符合要求，确为　３５ＣｒＭｏＶ。　

１．２力学性能分析　为了说明断轴本体材质力学性能情况，在断轴　表１断轴本体的化学成分（ｗ％）　

Ｃ　Ｓｉ　Ｍｎ　Ｐ　Ｓ　Ｃｒ　Ｎｉ　Ｃｕ　ＭＯ　Ｖ　宴测成份　０＿３７　Ｏ＿３Ｏ　Ｏ．６５　０．０３０　０．００７　１．１３　Ｏ．０６　０．０５　Ｏ－２４　Ｏ．１６　

（；Ｂ，ｒ　３０７７　Ｏ．３Ｏ～Ｏ．３８　Ｏ．１７～０．３７　０．４０－０．７０　≤０．０３５　≤０．０３５　１．０Ｏ～Ｉ＿３Ｏ　≤０ｌ３Ｏ　≤Ｏ．２Ｏ　０．２０－０－３Ｏ　０．１Ｏ～０．２０　２０１６年第６期　小兼柱采　・３５・　与联轴器相邻接（直径为＋９５　ｎｌｉｉｉ）部分沿＋７０　ｎｌｎｌ　的阗周上取“二拉六冲”（拉伸试料尺寸为＋２５　ＩｌｌＩＩｌＸ　１４０　ｍｉｌｌ，冲击试料尺寸为１０．５　ｎｌＮｌＸ１０．５　ＩｌｌｌｌｌＸ１４０　ｍｍ）Ｊ｛｛于力学性能测试。力学性能测试结果及判定　标准见表２　由表２的数据可以看｝＿¨，断裂泵轴的室温力学　性能均满足且明显优于ＪＢ／Ｔ　６９０８—２００６规定的标　准值，未见异常。　

１．３金相分析　１．３．１非金属夹杂物分析　按ＧＢｆＦ　１０５６１—２００５对断裂泵轴进行非金属夹　杂物评级。在制备的检测面上只存在Ｉ）类（球状氧　化物类）非金属夹杂物，未发现长条状或链状非金　属夹杂物。非金属夹杂物的评级结果为Ａ０、Ｂ０、　ＣＯ、Ｉ）１．５（最严重视场）、ＤＳＯ。可以看｝｝｛轴的非金　属夹杂物含量符合ＪＢｆｆ　６９０８—２００６的技术要求　１．３．２断口附近金相显微组织　在断口上１／２半径处取金相试样，金相观察而　沿轴的纵向。３５ＣｒＭｏＶ材质金相腐蚀剂为４％４ｉ￣酸　酒精溶液。结果表明断口附近组织为严重过热的魏　氏组织。这主要是由于泵轴断裂后客户没能及时停　车，电机继续运行通过联轴器带动驱动端泵轴旋　转，与承载着叶轮端的泵轴发生摩擦，产生大量热　量导致断口附近材质温度剧升引起组织过热（甚至　过烧），形成ｉ维立体感很强的魏氏组织ｌｌ１。　１．３．３断轴本体金相显微组织　远离断｜ｌ的正常基体的金相试样采用冲击试样　制备；腐蚀剂为４％硝酸酒精溶液。观察到的组织　如罔２所示，其中图２（ｂ）是图２（ａ）放大后的形貌。　由图２（ａ）可以发现，泵轴材质的基体组织为　唧火索氏体（回火索氏体易于被腐蚀而变黑１，同时　发现存在粒状、块状的灰白色组织；在更高倍数金　卡ｆ｛　微镜下观察（如图２（ｂ）所示）发现，这些灰卢Ｉ　色组织为回火索氏体基体上沿晶界分布的粒状　氏　体组织，即泵轴材质的组织为回火索氏体加一定数　量的粒状贝氏体１２］，与以往同型泵所用泵轴的组织卡ｆｊ　同，这对于叶Ｊ等大小截面尺寸的锻件坯料而言属丁　正常渊质组织。　这是由于泵轴有效截面尺寸在４，１００　ｎ１ｎ　（热处　理坯料直径为　】３６　ｔｎｍ）以上，锻件坯料调质热处　理时不可能完全淬透。按照泵轴的热处理］＿岂，　ｌ３６　Ｉｎ１１１泵轴坯料在９００℃保温４～４．５　ｈ，基体已　表２断裂袋辅力学性能及判定标准值　Ｒｍ／ＭＰａ　Ｒｅ／ＭＰＨ　Ａ／％　／％　ＡｋｕｌＪ　９２５　７７８　１７　６１　７６　７６　９５　实测衄　９２０　７７０　Ｉ８　６２　６３　７４　７６　ＪＢｆｌ＂６９０８　≥７５５　≥５４５　≥ｌ２　≥４０　≥５３　（ｈ）ｘ５００倍　Ｉ矧２断轴本体的金相　微组织　经完全完成奥氏体化转变，在淬火（油冷）Ｈｑ由　坯　料内部冷却速度相对（空冷）较快（但未达到临界淬　火冷却速度），坯料内部很快冷却到巾温区，部分　过冷奥氏体首先发生中温转变，就沿品界析出一定　数量的粒状贝氏体；同时随着温度继续快速降低，　大部分过冷奥氏体被冷却到低温区（３５０℃以下）发　生马氏体转变。马氏体在６８０　回火４　１１后形成　火索氏体，而粒状贝氏体【ｎ］火后（回火　氏体ｊ变化　不大。　闪此，泵轴热处理后显微组织上不存在问题　这和前面的力学性能结果是完全吻合的　

２断口及外观分析　

２．１宏观断口及附近痕迹分析　图３呈现了奉次断裂泵轴断口及棚关联部件外　观形貌。从　３（ａ）可以看ｊ¨：轴的断口形貌主要　・３６・　小番柱采　２０１６年第６期　（ａ）轴和轴套断口形貌　图３断口及外观痕迹　

是同心圆弧，且很平整。外侧轴套断口同样存在同　心圆弧，同时还有部分（约占Ｉ／４）断口为粗糙颗粒　状形貌，这可能是由于轴套断裂后继续旋转，在对　摩擦过程中发生脱落而形成的断口形貌。因为轴套　随轴一起做顺时针高速旋转，两种形貌的界限较为　规则清晰（如图３（ａ）中Ａ所示），而且另外一块也处　于“摇摇欲坠”之势（如图３（ａ）中Ｂ所示），根据已　有经验　可以推断，此处裂纹扩展路径为沿晶界扩　展。如图３（ｂ）所示，轴套螺母靠近轴套端、轴套内　外侧以及轴本体的螺纹均存在高温变色的现象，而　且变色范围离断口距离明显不同，轴套内侧（如图３　（ｂ）中Ｄ所示）比外侧（见图３（ｂ）中Ｃ所示）长，由此　可以认为轴套内侧和外侧的高温颜色形成原因是不　一样的。　２．２焊合区泵轴表面裂纹扩展路径分析　由于泵轴断口遭到磨损破坏，断口信息丢失，　这给失效分析增加了一定难度。这里为了探究泵轴　断裂裂纹扩展路径，将断口沿图３（ａ）中Ａ处用线切　割剖开，均分两半，如图４所示。因为轴和轴套被　焊合在一起＿ｒ，所以只能沿图４中线框ｃ取下轴表　面纵向金相试样．用于观察轴表面裂纹扩展情况，　如图５所示。腐蚀试剂为４％硝酸酒精溶液。图５　４泵轴连同轴套整体被剖分后一侧　（ｂ）　轴套螺母、轴螺纹、轴套　内外侧均发生高温变色　（ｈ）断口附近相关部件的高温变色情况　（ａ）为轴表面金相试样抛光、腐蚀后的效果图；图５　（ｂ）为图５（ａ）中箭头Ｄ所示区域在金相显微镜下放　大５０倍的形貌。由于轴套材质（１４Ｃｒｌ７Ｎｉ２）熔化后　充满裂纹而不被４％硝酸酒精溶液腐蚀，呈白亮色，　正好显示轴断裂初期裂纹萌生和扩展路径。根据裂　纹路径形貌可以推断，裂纹以穿晶扩展为主要形式　扩展，所以轴的断裂方式极可能是穿晶断裂。　

３泵轴断裂部位结构及应力分析　图６为离心泵驱动端的结构图。由结构图可　知，泵轴由断裂位置Ｅ到与联轴器相联部分（即图　

图５断口附近轴表面情况　２０１６年第６期　小番柱采　・３７・　图６离心泵驱动端结构示意图　所裂但　＼　×　’　８　ｒ　｛　．ｎ　×　寻　卜　苫　

Ｍ）　・　ｌ　Ｊ　ｌ　Ｊ　ｌ　Ｉ　Ｎ　Ｊ　ｐ　（　ｔ　｝　１　『　１　『　‘　Ｉ’　

８　５￣４，９５　。．．．．，　３ｘ＋７２．—　一　

ｅ　，一Ｉ　｝　

图７泵轴驱动端到断裂处附近的结构和尺寸　７中的ＭＰ段）所受的扭矩相等（假设扭矩为恒定值　Ｔ）。另外，正常操作和运行条件下，图６中腔室Ｇ　应该是充满水的【５ｌ。　图７表示泵轴断裂位置附近到与联轴器相邻接　部分的结构和几何尺寸。由泵轴结构可以知道，断　裂位置不存在键槽等削弱轴力学性能的结构存在。　断裂段（即ＭＮ段）直径为４，１００　ｈｉｍ，而与联轴器联　接的这一端（即ＮＰ段）直径为４，９５　ｍｍ。　根据材料力学理论１６］计算实心轴表面的最大剪　应力．ｒ一：　。　＝Ｔ／　（１）　．＝＇ｒｒＤ３［１６　（２）　式中ｒ～——轴表面所受的最大剪应力，ＭＰａ　卜轴上承受的扭矩，Ｎ・ｍ　广＿—－手亢扭截面模量　轴直径，ＩＴＩ　泵在运行过程中功率、转数是有变化的，但泵　轴ＭＰ段所承受的扭矩始终是相等的。因此这里可　以定性讨论泵轴在ＭＮ段、ＮＰ段表面所承受的最　大剪应力下～　．ｒ　的大小关系。　讨论过程如下：因为泵轴ＭＮ段直径　Ｄ￣＝１００　ｍｍ，泵轴ＮＰ段直径ＤＮｐ＝９５　ＩＴｌｍ，所以　ＤＭＮ＞ＤＮ１）　（３）　由关系式（２）、（３）可以得出　ｔＭＮ＞　ｔＮＰ　（４）　由关系式（１）、（４）可以得出　７－一　＜ｆ～ＮＰ　（５）　由关系式（５）可知，离心泵在运行过程中泵轴　ＭＮ段表面承受的最大剪应力ｒ一　要小于泵轴ＮＰ　段表面承受的最大剪应力ｒ～　。所以正常使用条　件下，如果发生断裂（不管是材质性能低还是过载）　应该发生在ＮＰ段（全功率输入端最小直径段）。