電廠循環(huán)泵軸系斷裂事故分析及防范措施
2012-03-05某電廠5#循環(huán)泵是離心式泵，配套電機為JSL1000-12L。事故發(fā)生時，值班人員突然聽到一聲巨響，表盤上3#、4#、5#循環(huán)泵運行指示燈亮，運轉(zhuǎn)層有煙冒上來，5#循環(huán)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(jīng)檢查，設備損壞情況如下：循環(huán)泵軸系斷成4節(jié)，水泵軸在聯(lián)軸器上150mm軸頸處斷開，中間軸上、下裝聯(lián)軸器處分別斷開，飛出數(shù)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(zhuǎn)子彎曲，在靠聯(lián)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(lián)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(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)子磨損；發(fā)現(xiàn)軸承室有4條裂紋，未作處理。這次斷軸事故前一次大修，發(fā)現(xiàn)水泵轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(lián)軸器軸頸處尺寸增加了0.12mm。大修后投運3507.3h，軸系發(fā)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(huán)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(zhuǎn)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(chǎn)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(lián)軸器等轉(zhuǎn)動部件存在不平衡質(zhì)量引起的離心力，且方向是變化的。由于中心誤差，使轉(zhuǎn)子的質(zhì)量中心偏離運轉(zhuǎn)中心而產(chǎn)生徑向力。
b．軸向力
泵是立式安裝，泵轉(zhuǎn)子的質(zhì)量包括其中液體的質(zhì)量，是軸向力的主要來源。葉輪前后蓋板不對稱產(chǎn)生軸向力，軸臺、軸端等結(jié)構(gòu)因素也產(chǎn)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(lián)軸器軸頸。
d．意外載荷
事故發(fā)生時，供電系統(tǒng)沒有出現(xiàn)異常，未出現(xiàn)過斷電又送電的現(xiàn)象。斷軸后，電機軸仍在轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)向正常，電流下降。供水系統(tǒng)用水量正常，循環(huán)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(xiàn)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(xiàn)疲勞弧線標志，疲勞源位于鍵槽底部的尖角處，中心粗糙區(qū)為軸Z終破裂時的折斷區(qū)，且折斷區(qū)與軸旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)疲勞斷裂。
3、小結(jié)
泵軸頸疲勞裂紋的產(chǎn)生和發(fā)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(chǎn)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(zhuǎn)子不平衡、電動機磁場不均、水泵的基礎不完善、水泵殼體內(nèi)混入固體雜物、軸承損壞、導瓦間隙過大等。該泵及傳動系統(tǒng)均為立式安裝，在電機和泵的各部件按質(zhì)量要求組裝后，各聯(lián)軸器找中心的質(zhì)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(guī)程要求，先測量電機轉(zhuǎn)子，要求其外圓跳動不大于0.05mm，端面跳動不大于0.02mm。聯(lián)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(zhuǎn)子軸本身彎曲；推力盤工作面與軸線不垂直。盤動轉(zhuǎn)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(lián)軸器測量合格后，才能裝中間軸并測量跳動，中問軸下聯(lián)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(diào)整。中間軸校正后，即與水泵聯(lián)軸器連接。Z后調(diào)整上、下導瓦間隙，該問隙單側(cè)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(zhuǎn)時軸系上部擺動增加，對軸承產(chǎn)生沖擊。
②嚴把備件質(zhì)量關
泵大修時，應對所要更換的備件進行檢驗，轉(zhuǎn)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(zhì)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(jié)構(gòu)，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(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)子磨損后，直接堆焊修復的工藝值得改進。由于轉(zhuǎn)子磨損，表面必產(chǎn)生微觀缺陷（形式雖然不是開裂裂紋），在堆焊時焊接電流產(chǎn)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(fā)現(xiàn)軸聯(lián)軸器根部出現(xiàn)裂紋，應及時更換。