電廠循環泵軸系斷裂事故分析及防范措施
2012-03-05某電廠5#循環泵是離心式泵，配套電機為JSL1000-12L。事故發生時，值班人員突然聽到一聲巨響，表盤上3#、4#、5#循環泵運行指示燈亮，運轉層有煙冒上來，5#循環泵電流下降至70A(正常運行時電流130A左右)，立即按緊急事故停泵處理。經檢查，設備損壞情況如下：循環泵軸系斷成4節，水泵軸在聯軸器上150mm軸頸處斷開，中間軸上、下裝聯軸器處分別斷開，飛出數米遠，砸壞了進水門等設備；電機上、下導瓦頂絲嚴重彎曲，導瓦嚴重磨損；電機轉子彎曲，在靠聯軸器處Z大彎曲達6.91mm；電機軸與中間軸、中間軸與水泵軸兩對聯軸器都已不符合要求，其Z大端面跳動值達1.09mm；水泵上、下兩只236型軸承損壞，一只8240型推力軸承嚴重損壞；下托架體上軸承室有9條裂紋（事故前已發現7條）；銅軸套磨損嚴重。
2、事故分析
①泵的服役及檢修情況
該泵投運以來，年運行約5000h，大修間隔期基本為一年，大修項目有更換葉輪；修正轉子磨損；發現軸承室有4條裂紋，未作處理。這次斷軸事故前一次大修，發現水泵轉子磨損較大，軸承室裂紋增至7條。當時，由于缺少備品，工期又緊，對軸承室未作處理，對轉子磨損處采用補焊修復。補焊工藝是：焊件需補焊處焊前未進行車削，焊件放在水箱中，用堆507焊條堆焊，堆焊后按設計圖紙要求加工，修復裝聯軸器軸頸處尺寸增加了0.12mm。大修后投運3507.3h，軸系發生斷裂。從檢修、運行情況來看，該泵每次大修時均需更換軸承，并一直存在軸系運行振動較大的缺陷。
②軸系受力分析
該型循環水泵是立式安裝的單級螺旋型壓水室泵。泵的吸上口垂直向上，處于泵的軸線位置，排出口呈水平方向。軸承體有兩處裝有軸承，上部裝有單列向心球軸承，用以承受泵的軸向推力及轉子部分的重量和徑向載荷。
a．徑向力
螺旋型壓水室是按設計流量進行設計的，這時液體在葉輪周圍壓水室中的速度和壓力是均勻的，軸對稱的。當泵的實際流量偏離設計值時，破壞了壓力沿葉輪軸對稱分布的條件；實際工件也與設計值有偏差，因而產生徑向力。另一方面，從葉輪流出液體的動反力對葉輪的作用來看，由于壓水室的壓力不軸對稱，液體流出葉輪的速度也是不軸對稱的。這兩個力合成徑向不平衡力。葉輪、聯軸器等轉動部件存在不平衡質量引起的離心力，且方向是變化的。由于中心誤差，使轉子的質量中心偏離運轉中心而產生徑向力。
b．軸向力
泵是立式安裝，泵轉子的質量包括其中液體的質量，是軸向力的主要來源。葉輪前后蓋板不對稱產生軸向力，軸臺、軸端等結構因素也產生軸向力。
c．扭矩
由電機傳遞扭矩，泵軸受Z大扭矩斷面為聯軸器軸頸。
d．意外載荷
事故發生時，供電系統沒有出現異常，未出現過斷電又送電的現象。斷軸后，電機軸仍在轉動，轉向正常，電流下降。供水系統用水量正常，循環泵沒有受到流量突然減少或增加的水力沖擊。管道、閥門均正常。因此，泵軸未出現意外的沖擊載荷。
③宏觀斷口分析
肉眼觀察斷口面，沒有舊裂紋痕跡，斷面與軸線基本垂直。斷口上呈現疲勞弧線標志，疲勞源位于鍵槽底部的尖角處，中心粗糙區為軸Z終破裂時的折斷區，且折斷區與軸旋轉方向偏移約45°，整個斷面呈暗灰色，有不明顯的銹紋。因此，軸頸應屬于彎曲扭轉疲勞斷裂。
3、小結
泵軸頸疲勞裂紋的產生和發展，加劇了整個軸系的振動，Z終導致軸系多處斷裂，電機軸彎曲及其他部件損壞。
下列因素的共同作用導致泵軸頸疲勞破壞：從多次更換掉的軸承及軸承室裂紋逐漸增加來看，該泵一直在較大振動狀況下運行，泵軸軸頸150mm斷面受扭矩Z大；軸頸、鍵槽的尖角過渡產生應力集中，從而是軸截面的Z薄弱部位；軸頸表面未車掉磨損層即采用堆焊補焊，減弱了軸的疲勞強度和韌性。
4、防范措施
①消除導致泵振動的因素
泵運行時振動過大，主要原因是水泵與電動機連接不良、轉子不平衡、電動機磁場不均、水泵的基礎不完善、水泵殼體內混入固體雜物、軸承損壞、導瓦間隙過大等。該泵及傳動系統均為立式安裝，在電機和泵的各部件按質量要求組裝后，各聯軸器找中心的質量好壞，是決定泵組振動大小的重要因素之一。組裝時應嚴格按規程要求，先測量電機轉子，要求其外圓跳動不大于0.05mm，端面跳動不大于0.02mm。聯軸器跳動過大，一般有下列原因：推力頭與主軸的配合過松或歪斜；轉子軸本身彎曲；推力盤工作面與軸線不垂直。盤動轉子時，導瓦與推力頭間隙不可過松，要近似于0。但要能盤動，否則測量值誤差大。電機聯軸器測量合格后，才能裝中間軸并測量跳動，中問軸下聯軸器外圓跳動不大于0.1mm。若超過標準，則應在對輪之間用金屬墊片進行調整。中間軸校正后，即與水泵聯軸器連接。Z后調整上、下導瓦間隙，該問隙單側為0.1～0.12mm。因測量此間隙比較困難，可測頂絲與瓦背間隙，并在緊螺母時反復檢查。若間隙過大，則運轉時軸系上部擺動增加，對軸承產生沖擊。
②嚴把備件質量關
泵大修時，應對所要更換的備件進行檢驗，轉子有關部件有條件時要做靜平衡試驗。對更換量Z大的軸承，應測量其游隙等。因為軸承的質量好壞，不僅僅影響軸承本身的使用壽命，還直接影響泵軸頸、軸承室的磨損。
③改造軸承架
新的軸承架改成軸承室與托架體的組合結構，這樣，當軸承室要更換時，不必把整個軸承架拆除更換。實際上，除軸承室外，其他部位不易損壞。原設計的軸承架為一整體，體積龐大，安裝困難，備件不易制作，這也是軸承室多次發現裂紋而沒有及時更換的原因之一，其后果是泵的振動不斷增大。
④注意事項
轉子磨損后，直接堆焊修復的工藝值得改進。由于轉子磨損，表面必產生微觀缺陷（形式雖然不是開裂裂紋），在堆焊時焊接電流產生的高溫可使這些微觀缺陷擴散和集成為更加有害的缺陷，降低軸的疲勞壽命。在大修時，應加強對泵軸受力部位的檢查，發現軸聯軸器根部出現裂紋，應及時更換。