電廠液力偶合器泵軸斷裂原因分析

徐國慶，時義，王立坤

（1.中國石油獨山子石化分公司機動設備處；2.中國石油獨山子石化分公司乙烯廠；3.中國石油獨山子石化分公司壓力容器檢驗所，新疆 克拉瑪依 833699）

1 使用情況

發生斷裂的7號葉輪軸為熱電廠汽機車間GMT58FA（Y0TF580）調速型液力偶合器的主工作油泵，投用時間2008年至今已有6年，該泵連續運行時間約3萬h。斷裂軸以齒輪傳導方式對外輸出做功，泵軸選擇材料為45鋼，開裂部位為軸承裝卡部位根部，軸總長度約209.3mm，斷裂處距左側約126.3mm，如圖1。

圖1 爆口位置

2 檢驗情況

2．1 使用情況調查

該泵軸自2008年6月開始投入使用，由于設備結構限制未能對該泵做關于游隙、震動等監測。

2．2 宏觀檢驗

發生開裂部位為泵軸輸出端安裝軸承的軸肩處，該處為機械加收刀位置。整個軸無宏觀彎曲變形。從斷口照片看，該斷口分為較明顯的3個部分，裂紋源區（Ⅰ區）該區域為車削加工時車刀收刀位置。裂紋擴展區（Ⅱ區）該區平滑可見貝紋。瞬斷區（Ⅲ區）該區域是裂紋擴展至臨界尺寸后發生失穩快速破斷區域，該區與平滑區程45°角約占整個平面的40%～50%，由宏觀形貌可初步判定該軸發生了疲勞斷裂，見圖2。

2．3 成分分析

在斷裂軸橫截面取樣，按照GB/T 4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定火花放電原子發射光譜法》，使用德國SPECTRO Lab.M11型固定式直讀光譜儀對樣品進行光譜分析，測得各元素含量見表1。

表1 成分含量 ω/%

圖2 斷口宏觀照片

由表1數據可知，所檢樣化學元素含量滿足GB/T 699-2015《優質碳素結構鋼》中45鋼要求。

2．4 硬度檢驗

在斷裂軸橫截面取樣，按照GB/T 230.1-2009《金屬材料洛氏硬度試驗第1部分：試驗方法》由邊緣向心部進行硬度檢驗，檢驗結果見表2。

表2 硬度檢測結果

根據GB/T 1172-1999《黑色金屬硬度及強度換算值及差值運算方法》將檢測結果換算成布氏硬度指標。硬度參考JB/T 8491.1-2008《機床零件熱處理技術條件第1部分：退火、正火、調質》，根據檢測結果可知該軸硬度指標符合45調質狀態指標要求。

2．5 金相檢驗

在斷軸橫截面取金相試樣，使用蔡司研究級正立智能數字萬能材料顯微鏡及圖像分析系統Axio ImagerA 2m，按照GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》進行金相檢驗。經分析該軸基體組織為回火索氏體加少量先共析鐵素體。心部鐵素體含量遠高于外表面，并且析出鐵素體寬度和連續程度也都高于外表面。見圖3、4。

圖3 近表面金相照片1000×

圖4 中心部位金相照片1000×

3 檢驗結果分析

斷軸軸向無彎曲變形，斷口符合疲勞斷裂情況。根據斷口形貌可判定該軸發生了旋轉疲勞。開裂發生在機械加工車刀退刀部位，該處從結構上來講是應力集中部位，同時由于機械加工原因，此處受力情況更加惡劣。金相檢驗結果顯示該軸進行過調質處理。在原奧氏體晶界處有鐵素體析出，并且外側鐵素體量少于心部，應屬于在淬火過程中加熱不足或冷卻速度不夠造成的。

材料在熱處理時沒有控制好熱處理工藝，導致斷軸金相組織存在鐵素體超標，使材料整體性能下降。在使用過程中由于泵軸受力不均，加之開停車時泵軸承受的瞬時力增大，導致泵軸結構不連續最嚴重也是該軸最薄弱位置成為疲勞裂紋的起裂源，經過長時間的使用，疲勞裂紋不斷擴展。直至剩余的承載面積不足以承受泵軸運轉時所受外力發生斷裂。

4 檢驗結論

該泵軸熱處理不當，導致材料整體性能有所下降。在工況下，結構不連續的應力集中部位形成疲勞裂紋源，疲勞裂紋不斷擴展，最終導致斷裂的發生。

5 建議

（1）調整熱處理工藝，使材料組織與使用工況相適應。

（2）需要嚴格控制機加工精度，特別是在機加工起刀和收刀處，若可行盡量采用圓弧過渡，通過適當的結構來消除應力集中的影響。