閉式泵軸斷裂失效原因分析與對策

摘 要：閉式循環水泵泵軸材質3Cr13，屬于中碳馬氏體不銹鋼。閉式循環水泵在運行過程中，泵軸突然發生斷裂，導致閉式循環水泵停運，影響了正常生產。經過對斷裂的泵軸進行了斷口形貌檢驗、光譜檢驗、金相組織檢驗和機械性能檢驗，經過綜合分析，最后得出結論，泵軸斷裂屬于疲勞斷裂，產生疲勞斷裂原因是泵軸材料存在沿晶分布的網狀碳化物，分割了金屬基體，對強度影響不大，但會使材料脆性增加，沖擊韌性大幅降低。

關鍵詞：泵軸；斷裂失效；疲勞斷裂；網狀碳化物

1 概述

某電廠閉式循環冷卻水泵型號SX400-460，臥式離心式，流量2200m3/h，揚程45米，轉速1450rpm。閉式循環冷卻水泵作用是將介質（除鹽水）加壓后，輸送到各有關設備的熱交換器，再返回閉式循環冷卻水泵入口，形成閉式循環冷卻水系統。該系統的補水來自閉式循環冷卻水膨脹水箱。

閉式循環水泵泵軸材質3Cr13，屬于中碳馬氏體不銹鋼，因含碳較高，故具有較高的強度、硬度、耐磨性和淬透性，一般是在調質狀態組織回火索氏體狀態下使用。泵軸在轉動過程中受到扭轉力、支撐力、彎曲力和推力等，受力情況比較復雜，同時軸系還會振動。閉式循環水泵在運行過程中，泵軸突然發生斷裂，導致閉式循環水泵停運，影響了正常生產。

2 斷裂原因分析

為了查清閉式循環水泵泵軸斷裂原因，對斷裂的泵軸進行了斷口形貌檢驗、光譜檢驗、金相組織檢驗和機械性能檢驗，詳細分析如下。

2.1 斷口形貌檢驗

泵軸斷口附近沒有明顯塑性變形，泵軸斷裂發生在鍵槽處，鍵槽出現破裂損壞，軸橫斷面上靠近鍵槽邊緣處顏色較深（見圖1），可觀察到貝紋線形貌，該處為裂紋源區，在電子掃描顯微鏡下可見清晰的疲勞條紋形貌（見圖2）。由此可見，泵軸屬于疲勞斷裂，首先軸鍵槽處產生小裂紋，形成疲勞源，然后泵軸在轉動中的交變載荷作用下，裂紋逐漸擴展，最后擴展至臨界尺寸，不能承受交變載荷的作用，導致突然斷裂，在瞬斷區形成過載斷裂形態。

2.2 光譜檢驗

取泵軸光譜試樣，在SPECTRO TEST光譜分析儀上進行化學成分試驗分析，結果見表1，該軸化學成分含量與GB/T 1220-2007《不銹鋼棒》中3Cr13的要求相符，說明泵軸材料化學成分正常。

2.3 金相組織檢驗

在泵軸斷面鍵槽附近沿軸縱向截取金相試樣，制樣后使用FeCl3鹽酸溶液進行腐蝕。從圖3可見，裂紋率先萌生于軸鍵槽處表面，組織為均勻的回火索氏體組織，晶界上出現了異常的網狀分布的碳化物。在電子掃描顯微鏡下，可清晰觀察到晶界上的斷續的網狀碳化物形態（見圖4）。泵軸出現晶界呈網狀分布的碳化物一般是因為原材料在鍛造或退火過程中，加熱溫度過高或保溫時間過長，造成奧氏體晶粒粗大，并在緩慢冷卻中，在奧氏體晶界上析出二次碳化物，呈網狀分布。網狀分布碳化物的出現削弱了晶粒間的聯系，破壞了金屬的聯系性，會使軸的機械性能尤其是沖擊韌性急劇下降。

2.4 機械性能檢驗

沿泵軸縱向截取拉伸試樣和U口沖擊試樣，在CMT5105電子萬能試驗機上進行材料拉伸性能試驗，在JB-300C沖擊試驗機上進行夏比擺錘沖擊試驗，結果見表2，材料的沖擊吸收功在10.2-16.3Aku2/J之間，均小于24Aku2/J，表明泵軸材料沖擊韌性較差，不符合標準要求，原因是金相組織中存在的沿晶網狀分布碳化物。

2.5 斷裂原因分析

綜上所述，泵軸斷裂屬于疲勞斷裂。閉式循環水泵運行中泵軸在復雜受力條件下，首先在鍵槽形狀突變處產生裂紋，裂紋在軸交變載荷下經疲勞擴展至軸心部形成了最終宏觀開裂。

鍵槽處會出現裂紋主要是因為泵軸材料存在沿晶分布的網狀碳化物，分割了金屬基體，對強度影響不大，但會使材料脆性增加，沖擊韌性大幅降低，使泵軸容易產生裂紋和疲勞斷裂。3Cr13出現沿晶網狀碳化物一般是因為原材料的鍛造或者退火溫度過高所致，該組織如果沒有經過其它熱處理工藝（如球化退火）進行改善，就會保留在最終成型的泵軸中，從而留下泵軸失效隱患。

另一方面，因軸鍵槽處為形狀突變區，易于產生應力集中，在材料存在缺陷的情況下該處率先出現了開裂。

3 對策

為了防止泵軸出現沿晶分布的網狀碳化物，防止泵軸出現疲勞斷裂，保證閉式循環水泵安全穩定運行，特制定以下應對策略：

（1）泵軸制造過程中，應嚴格執行熱處理工藝，防止出現網狀碳化物。當金相組織中出現網狀碳化物時，可采用正火或退火工藝。當網狀碳化物不嚴重，可以采用退火工藝。當存在較嚴重網狀碳化物時，可以正火1100±10℃空冷，再根據鋼種及硬度進行回火以消除應力，而后按正常熱處理工藝進行調質。

（2）加強對泵軸質量檢驗驗收工作。對泵軸進行金相檢驗、硬度檢驗、光譜分析，必要時取樣進行機械性能試驗（特別是沖擊韌性試驗），及時發現不合格泵軸，防止不合格泵軸投入使用導致事故。

（3）優化泵軸鍵槽形狀，采用圓滑過渡結構，降低應力集中程度，防止在鍵槽處產生裂紋。

（4）加強對運行循環水泵泵軸維護保養和檢修工作，調整好循環水泵泵軸動平衡，控制軸系振動在標準范圍內，利用停機機會對泵軸進行滲透檢測，特別注意鍵槽處。

（5）加強設備巡檢，注意閉式循環水泵振動、軸承溫度等。

4 結束語

閉式循環水泵作為電廠輔機設備之一，其正常運行對機組安全運行具有重要意義，我們必須保證泵軸質量合格，滿足使用要求。一旦循環水泵泵軸制造熱處理工藝執行不良，就很有可能導致泵軸金相組織中出現沿晶界分布的網狀碳化物，就會導致泵軸脆性增加，沖擊韌性大幅下降，再加上泵軸鍵槽處應力集中，運行中泵軸就容易出現疲勞斷裂，導致循環水泵停運，影響發電機組正常生產。

參考文獻

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作者簡介：程強（1987-），男，山東泰安人，漢族，本科學歷，助理工程師，單位：臨渙中利發電有限公司，從事電廠金屬監督工作。