循環(huán)水泵泵軸聯(lián)軸器螺栓斷裂分析

某電廠連接循環(huán)水泵靠背輪的12個(gè)泵軸聯(lián)軸器螺栓在運(yùn)行過程中全部發(fā)生斷裂失效,該螺栓規(guī)格為M30螺栓,性能等級(jí)為8.8S級(jí);另據(jù)了解該螺栓為外購(gòu)件,對(duì)斷裂的螺栓進(jìn)行了失效分析。

在斷裂的泵軸聯(lián)軸器螺栓上截取剖面試樣,經(jīng)磨制、拋光和化學(xué)侵蝕后在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行顯微組織觀察。,斷裂泵軸聯(lián)軸器螺栓的顯微組織為鐵素體+珠光體。這種組織狀態(tài)一般為35CrMo鋼正火或鍛后退火的組織,而非調(diào)質(zhì)后的回火索氏體組織。

綜合分析

1工藝設(shè)計(jì)螺栓的頭部一般加工成六角頭或圓頭,這樣可以形成比較好的流線分布,有利于抗軸向應(yīng)力。而斷裂35CrMo泵軸聯(lián)軸器螺栓的頭部并非規(guī)則的圓形,這實(shí)際上在某些程度上破壞了螺栓的流線分布通常情況下,螺栓加工時(shí),應(yīng)在其頭部和螺桿的過渡處保留 個(gè)過渡圓弧,以避免尖角效應(yīng)帶來的應(yīng)力集中現(xiàn)象。而在宏觀檢查中沒有發(fā)現(xiàn)斷裂泵軸聯(lián)軸器螺栓在此處有過渡圓弧,這樣就會(huì)造成應(yīng)力集中,因而容易發(fā)生斷裂。

2裝配質(zhì)量裝配質(zhì)量也會(huì)影響螺栓的使用壽命。裝配過程中,如果連接循環(huán)水泵靠背輪的12個(gè)泵軸聯(lián)軸器螺栓的預(yù)緊力分配不均勻,可能會(huì)導(dǎo)致某個(gè)或某幾個(gè)螺栓在運(yùn)行過程中受力偏大而較先斷裂,然后引起多米諾骨牌效應(yīng);當(dāng)然,如果螺栓的預(yù)緊力過大,在螺栓材料強(qiáng)度裕量不大的情況下,也會(huì)加速螺栓發(fā)生斷裂失效。

3螺栓材料的性能35CrMo鋼具有較高的綜合力學(xué)性能,并滿足GB/T3098.1-2000中對(duì)8.8S級(jí)螺栓的性能要求,通常情況下,在螺栓加工成型后,需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。但該斷裂螺栓的顯微組織形態(tài)只具有正火處理或鍛后退火處理的特征,而不是經(jīng)過調(diào)質(zhì)后的回火索氏體組織,所以其強(qiáng)度和硬度較低,而塑性較好。

4螺栓斷裂原因分析     盡管由于腐蝕及磨損已經(jīng)使螺栓的斷面失去了微觀分析的價(jià)值,但由宏觀分析可知斷裂泵軸聯(lián)軸器螺栓的斷面較為平整,幾乎看不到塑性變形,呈脆性斷裂的特征;而通過力學(xué)性能試驗(yàn)和顯微組織分析可知該斷裂螺栓材料具有很好的塑性。由這兩個(gè)看似矛盾的現(xiàn)象可以得出泵軸聯(lián)軸器螺栓的斷裂屬性,即疲勞斷裂。一般情況下,塑性較好的材料,在受到較大應(yīng)力時(shí),會(huì)有一個(gè)明顯的屈服和塑性變形階段而這種現(xiàn)象并沒有在該斷裂泵軸聯(lián)軸器螺栓上出現(xiàn),這表明該螺栓的斷裂不是由于應(yīng)力過大造成的,而是由于小應(yīng)力的影響造成的。小應(yīng)力造成的斷裂失效,通常是應(yīng)力腐蝕或疲勞等形式。從現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果來看,循環(huán)水泵泵軸聯(lián)軸器螺栓不具備發(fā)生應(yīng)力腐蝕的條件,尤其是沒有在螺栓斷面上檢查到比較毛糙的表面,更是表明該螺栓不是由于應(yīng)力腐蝕造成的失效。排除上述原因,可以發(fā)現(xiàn)該泵軸聯(lián)軸器螺栓的斷裂方式是唯 一的,即疲勞斷裂。造成疲勞斷裂的因素很多,尖角處(包括螺紋尖角處)的應(yīng)力集中、泵軸的周期振動(dòng)等都會(huì)引發(fā)疲勞現(xiàn)象的發(fā)生?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研還了解到,發(fā)生事故的循環(huán)水泵,在此前的檢修過程中曾經(jīng)更換了葉輪。事故發(fā)生后,對(duì)該葉輪進(jìn)行了動(dòng)平衡試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明若不加修正,該葉輪并不能滿足技術(shù)要求;重新修正后,該葉輪可滿足動(dòng)平衡的試驗(yàn)要求。由于該葉輪在事故過程中與泵殼曾經(jīng)發(fā)生過比較強(qiáng)烈的碰擦,這個(gè)修正量是否是由于碰擦所造成的,已經(jīng)無從考察。但由于更換了葉輪,肯定會(huì)影響到整個(gè)軸系的振動(dòng),因此在泵軸運(yùn)行過程中出現(xiàn)周期性的振動(dòng),也是存在較大的可能性。

綜上所述,可以判定該泵軸聯(lián)軸器螺栓的斷裂是疲勞斷裂,而這種疲勞是由于泵軸軸系的周期性振動(dòng)所造成的;螺栓頭部與螺桿的連接部位沒有過渡圓弧以及螺紋處的尖角所帶來的應(yīng)力集中現(xiàn)象,加速了疲勞斷裂的進(jìn)程;未對(duì)螺栓進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,導(dǎo)致其材料強(qiáng)度偏低,也使得斷裂更容易發(fā)生。

斷裂泵軸聯(lián)軸器螺栓材料的強(qiáng)度和硬度均不滿足GB/T3098.1-2000中對(duì)8.8S級(jí)螺栓的性能要求,造成泵軸聯(lián)軸器螺栓材料的強(qiáng)度和硬度較低的原因是未對(duì)螺栓進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。(2)泵軸聯(lián)軸器螺栓的斷裂是疲勞斷裂,而這種疲勞是由于泵軸軸系的周期性振動(dòng)所造成的;螺栓頭部與螺桿的連接部位沒有過渡圓弧以及螺栓頭部形狀不規(guī)則所帶來的應(yīng)力集中加劇了疲勞的發(fā)生;未按要求對(duì)螺栓進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,導(dǎo)致其材料強(qiáng)度和硬度偏低,也使得疲勞斷裂更容易發(fā)生。4對(duì)循環(huán)水泵軸系的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)整,使其達(dá)到較佳狀況。(2)更換合格的泵軸聯(lián)軸器螺栓。(3)提高裝配質(zhì)量,避免各個(gè)螺栓的緊固力分配不均,尤其要防止個(gè)別螺栓承受過大緊固力的情況。