给水前置泵不锈钢泵轴断裂失效原因分析及预防

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４０・　小番柱采　２０１１年第１期　
给水前置泵不锈钢泵轴断裂失效原因分析及预防　
李春山　王平　
（大唐阳城发电有限责任公司，山西晋城；０４８１０２）　
摘要：本文对某火力发电厂锅炉给水前置泵在运行中水泵的泵轴发生断裂的原因进行了分析，并提出防止泵轴损　
坏的改进建议。　

关键词：　电厂用泵不锈钢泵轴断裂失效原因分析泵内流动预防措施　

１前言　
某大型火力发电厂锅炉给水前置泵采用国内　某水泵厂生产的ＳＱ３００—６７０型前置泵，该泵为单　级双吸、卧式水平中开式蜗壳泵，配套驱动电机　为ＡＢＢ公司生产的电机。该泵在运行中发生因电　机轴瓦温度高报警跳闸，解体电机轴瓦后发现，　电机轴瓦一侧巴氏合金与轴肩碰磨烧毁。在更换　电机轴瓦的过程中测量到前置泵泵轴存在异常窜　动，经过对前置泵解体检查后发现，水泵轴与叶　轮配合部位发生断裂损坏。　２前置泵泵轴及运行工况分析　２．１部件的宏观特征　泵轴断裂部位位于非驱动端侧距叶轮键槽边　缘约１５ｒａｍ处，如图１所示。断口面总体形态垂直　图１前置泵泵轴断裂部位　于轴，轴与叶轮及叶轮键配合部位表面呈黑灰色，　位于泵腔室内的轴段具有明显的铁锈红色，泵腔　室外的轴的两端其它部位为银亮的金属色，且表　面无任何损伤特征。　
不锈钢叶轮内外表面都存在均匀的红色铁锈，　
整个叶轮无任何损伤及擦伤痕迹，如图２所示。　
在平衡台上对叶轮进行动平衡试验，试验结果表　
明，其不平衡量完全符合技术条件要求。　

２．２泵轴断口部位化学成分分析　
该水泵不锈钢泵轴原使用材料为　
０Ｃｒｌ７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ，为马氏体沉淀硬化不锈钢。通过　
能谱仪在水泵轴断口面上进行扫描半定量测定轴　
的化学成分，结果见表１。　
在能谱分析结果中还检测出微量Ｋ、Ｃａ等元　
素（表１中未列出），这是断口表面在泵轴断裂后　
受到介质污染所致。从表１中的数据可以判定该　
轴的材料成分符合马氏体沉淀硬化不锈钢　

图２前置泵叶轮　
２０１１年第１期　，Ｊ．景柱采　・４１・　
表１　前置泵泵轴材料化学成分与标准对比（单位：ｗｔ％）　
元　素　Ｃ　Ｃｒ　Ｎｉ　Ｃｕ　Ｎｂ　Ｍｎ　Ｓｉ　Ｓ　Ｐ　Ｆｅ　
实测结果　０．０３５　ｌ５．９８　４．２０　４．４０　Ｏ．２ｌ　０．６３　０．４０　０．０１５　０．０１７　其余　
标准规定　≤０．０７　１５．５Ｏ～１７．５Ｏ　３．ｏ０—５．０ｏ　３．ｏｏ～５．ｏｏ　０．１５－０．４５　≤１．ｏｏ　≤１．ｏｏ　≤０．０３０　≤０．０３５　其余　

０Ｃｒ１７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ的标准。　
２．３泵轴断口部位分析　
泵轴断口部位因在高温水中长时问浸泡，其　
表面沉积一层较厚的氧化腐蚀产物，在扫描电镜　下的形貌如图３所示，已不能显示任何断裂过程　特征，但从断口的宏观全貌如图４所示来看，断　口有以下几个主要特点：　（１）轴的断口处未发现气孔、夹杂等内部材质　缺陷。　（２）断口面基本垂直于轴，是主要在弯曲力矩　下形成的弯曲疲劳断口。　（３）断口表面光滑，沿断面周边大致均布着８　处线状疲劳源区，有细致的由周边向中心汇聚的　棱线，表明属于旋转弯曲疲劳断裂。　（４）第一个疲劳源位于键槽的侧边，其表面因　与键和轴的配合面相互挤压而显得十分光亮。　（５）瞬断区在断口中心，其面积十分微小，说　明该泵轴在最终断裂时在轴在断口处受到的载荷　很小。　２．４前置泵运行工况分析　通过对该水泵现场实际运行参数测定，结合　厂家提供的水泵特性曲线，前置泵各种运行工况　下的参数汇总如表２所示。　
从表２可以看出，该水泵实际运行中最高负　
荷工况其流量为设计流量的７１．７４％；在最低负荷　
工况运行时，其流量只有设计流量的３９．７７％。　

３不锈钢泵轴损坏原因分析　
通过以上对前置泵损坏部件的宏观特征、断　
口部位、泵轴断口部位化学成分、前置泵运行工　
况分析来看：　
（１）叶轮动平衡试验合格，因此该泵轴的早期　
断裂不可能是由轴系的动平衡超标产生的离心载　
荷引起。　
（２）从泵轴断口处的宏观特征和材料分析可以　
看出，轴的断口表面未见任何材料缺陷，轴的材　
料成分合格，轴和叶轮显示的铁锈红色，是钢在　
表２前置泵设计工况与运行工况对照表　
工　况　流量（ｍ　）　效　率　扬程（ｍ）　负荷率（％）　
设计工况　１４０５　０．８３８　ｌ４Ｏ　１０ｏ　
实际最高负荷工况　１ｏｏ８　０．８２　１４８　７１．７４　
实际最低负荷工况　５５８．８　Ｏ．６１　ｌ５１．８　３９．７７　

图３断口扫描电镜下的形貌　
（下转第４４页）　

图４断口的宏观全貌　
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４４・　小番柱采　２０１１年第１期　
水压力的作用下升到一定的高度，推离阀座，给　
水即流出。同时由于阀瓣的上升，带动连杆转动，　
拨动排空口阀片，使再循环的刀片式活门向下移　
动，关闭排空口。当给水流量减少时，阀瓣下落，　
推动连杆拨开排空阀片，开启再循环门维持水泵　
最小的允许流量，此时高压水经过排空端的节流　装置减至低压，排至再循环管路。当停泵时，阀　瓣自动下落，关闭阀口通道，防止高压水锤对给　水系统的破坏。给水泵在低负荷或者出口截门关　闭状态时，自动再循环旁路阀应处于开启位置，　以保证水泵的安全运行。　通过上面分析可知，在暖泵时，从入口过来　的暖泵水能通过空排止回阀，因此，本方案中暖　泵方式是可行的，且暖泵控制门可以选用低压阀。　３种方案对比可知：采用第３种方案最优，　其暖泵系统如图３中虚线所示，阀门采用Ｊ４１Ｈ一　２５，ＤＮ２５，ＰＮ２．５，正暖水排放至低位疏水箱，再　由低位疏水泵输送到低压除氧器，．从而使热量得　以充分利用，这就解决了反暖水没有热量损失，　正暖水有热量损失的问题１４］。　新加暖泵系统既能满足刚开始启泵时，也能　满足热备用状态时暖泵的需要，在启动单台给水　泵前，只需打开阀门Ｉ和４，即可进行暖泵。在热　备用时必需先将阀门３关死，否则运行泵的再循　环水会通过阀门３和阀门４排到低位疏水箱，而　且再循环水的压力比除氧器的压力大，暖泵水不　能通过给水泵，从而影响暖泵效果。其热备用状　态下暖泵顺序：关闭阀门３，打开阀ｆ－ｊ　１和４；启　泵时，只要关闭阀门４，打开阀门３即可。　

４总结　
电动锅炉给水泵的暖泵系统加装上以后，通　
过一段时间的试运行，运行良好，证明该系统完　
全符合给水泵暖泵的要求，使给水泵的启动安全　
都得到了保障，同时吸取了倒暖方式的优点，解　
决了正暖水的浪费问题，节约了大量的水和热量，　
取得了良好的经济效益。　

参考文献　
１王彤．给水泵组暖泵系统的改造田．热力发电，２００３（１ｏ）　
２李金山．６００ＭＷ机组给水泵组暖泵系统的优化ｆＪ】．吉林　
电力，２００５，８，（４）　
３张正峰，皇晓军，任战宏．２００ＭＷ机组给水泵暖泵方式的优　
化改造叽．热力发电，２００９。３８　
４刘军强．３００ＭＷ机组给水泵组倒暖系统的改进跚．电力安　
全技术，２００４，６（６）　（本文编辑王振华）　

（－上接第４１页）　
高温热水中被氧化腐蚀形成，属正常现象，因此　
泵轴的断裂与泵轴的材质和缺陷无关。　（３）从断口部位分析中可以看出，该泵轴断裂性　质为在较大的旋转弯曲应力作用下的疲劳断裂，第　一疲劳源位于应力集中的键槽处，然后沿着整个外　表面又相继形成多个线状疲劳源，这些疲劳源出发　的疲劳裂纹向轴心扩展，最后在轴心处完全断裂。　（４）从前置泵现场实际运行工况分析，该水泵　在最高负荷运行时，其流量为设计流量的７１．７４％，　而在最低负荷运行时，其流量只有设计流量的　３９．７７％，从现场水泵运行工况统计发现，水泵在　运行中有近一半的时间在最低负荷下运行。当水　泵在流量低于５０％额定流量下运行时，泵内流动　就会发生二次回流、流动颤抖和压力脉动，同时　在低流量时，叶轮周围压力分布不均匀，叶轮受　到径向力的作用使泵轴产生交变应力，最后引起　轴的疲劳损坏。　４结束语　从以上分析中可以看出，该电厂前置泵的设　
计流量与实际运行流量偏差过大，泵在低流量下　
工作时，一方面效率低，经济性差；另一方面，　
泵轴受到较大的径向力，长时间运行会引起泵轴　
的疲劳损坏。因此可考虑对该前置泵进行技术改　
造，降低水泵设计工况流量，进而提高该水泵运　
行的经济性和安全性。该前置泵在没有进行改造　
前，电厂应合理调度机组负荷，使该前置泵运行　
工况尽可能接近设计值，避免该泵长期在过低流　
量下运行。　

参考文献　
Ｉ机械设计手册编委会编．机械设计手册．失效分析和故障诊　
断．机械工业出版社，２００７．０５　
２杨诗成，王喜魁主编．泵与风机．中国电力出版社，１９９０．１０　
（本文编辑王振华）