某干船塢主排水泵導流體法蘭斷裂原因分析及修復

張擁軍，李國祥

(1.上海華潤大東船務工程有限公司,上海 202156;2.上海海事大學 商船學院,上海 201306)

大型船塢一般采用軸流排水泵作為主排水泵。這類泵運行時流量大、揚程低。由軸流泵的特性可知：這類泵的比轉數在500～1 000之間；葉輪出口與進口的直徑比約為1，葉片外形扭曲。H-Q曲線特點是封閉揚程為設計工況的2倍，揚程曲線呈馬鞍形且變化較急。P-Q曲線特點是封閉功率最大，設計工況附件曲線呈駝峰形，流量再增加功率又下降。η-Q曲線的特點是急劇上升后又急劇下降[1]。故此，對泵在運行、維護保養方面要嚴格按照要求執行。

1 干船塢1號主排水泵的損壞情況

某船務公司的船塢共有2臺軸流排水泵，型號為1800HL—11S，流量11 m3/s。該泵主要由馬達、導軸、葉輪、泵體、導流體和密封裝置等組成，配備的電動馬達質量約20 t，最大構件質量約8.5 t，泵體總質量22 t[2]。

該公司的干船塢1號主排水泵，因生產任務緊、長期運行而得不到及時檢修和維護保養，待故障發生時已無法繼續工作。經停泵、現場檢查后發現：該排水泵下法蘭緊固螺絲松動，部分螺絲脫落，法蘭中間墊塊松動，其中有幾塊墊塊已經脫落丟失；導流體下支撐法蘭斷去約1/2；檢查泵中間賽龍軸承(下軸承)間隙，發現間隙增大、賽龍磨損量增大。

2 導流體斷裂原因分析

金屬構件在應力作用下分離為互不相連的2個或2個以上部分，斷裂處暴露出的自然表面(即裂紋掃過的面積)稱為斷口。斷口是對斷裂過程有關信息的直接記錄，也是判別部件失效原因的有力證據。斷口分析是研究金屬斷裂面的學科，是斷裂學科的組成部分。金屬材料的斷裂過程一般分成3個階段，即裂紋萌生階段、裂紋亞穩擴展和失穩擴展階段、斷裂階段。對于金屬材料的斷口分析，可以從斷口的宏觀和微觀入手，但由于本導流體部件直徑達3 m、部件質量達十幾噸，對導流體斷口不方便做掃描電子顯微鏡(SEM)等的微觀分析，故本文以金屬斷口學理論作指導，著重對導流體斷口從宏觀的角度進行分析。

斷口的宏觀分析是斷裂失效分析的基礎。通過宏觀分析，直接確定斷裂的宏觀表現及其性質，以及斷裂源區的位置、數量及裂紋擴展方向等。宏觀斷口分析的優點是能便捷、迅速地觀察破斷全貌，裂縫(斷口)與部件形成的關系，斷口與變形方向的關系，斷口與受力狀態(主應力或切應力)的關系。金屬斷口宏觀分析的依據主要有：斷口顏色、花紋、粗糙程度、邊緣情況、位置等。

圖1(a)、(b)分別為導流體、法蘭斷口局部放大圖，從圖1(a)和(b)中可以看出斷口可以分成A、B、C 3個區域。A區斷口老舊且已氧化，故為最先斷裂區，亦為疲勞源區；B區斷口嶄新光亮，為選擇擴展區；C區斷口也呈新鮮狀態，但與B區有所區別，為瞬時斷裂區。

圖1 導流體、法蘭斷口局部放大圖

從圖1(a)、(b)導流體、法蘭斷裂宏觀情況，可以看出如下問題。

1)導流體斷裂部位發生在下支撐法蘭，且斷口A區的裂紋源為宏觀裂紋源，肉眼清晰可見(在0.1～10.0 mm之間)；導流體工作溫度接近船塢排水溫度，全年通常在0～37 ℃之間，即工作溫度較低；斷口B區平齊、光亮，且與導流體的正應力垂直。故從斷裂變形程度看，導流體下支撐法蘭斷裂屬于低溫脆性斷裂。

2)導流體下支撐法蘭斷裂部分約占總下支撐法蘭的1/2，且斷裂面細長連續、延續時間短(細長區域幾乎同時發生斷裂)、斷裂面宏觀上非常平整、裂紋無分叉。說明該斷裂從裂紋機制角度看屬于剪切斷裂。

3)下法蘭緊固螺絲松動，法蘭之間的墊塊脫落。說明泵運行中曾經有長時間較強的震動，說明該斷裂是由突發的高強度外力沖擊引起。故該斷裂從受力狀態角度看又屬于沖擊斷裂[3-5]。

4)泵賽龍套(下軸承)磨損嚴重，說明泵的運轉不平衡。其原因可能是：軸承間隙過大，葉輪動平衡不良、泵軸的同軸度偏差過大、甚至泵軸有彎曲[6]。

經實地勘察，結合上述4點分析，認為部件損壞原因是：該干船塢1號主排水泵因長期運行缺乏檢查保養，致中間賽龍軸承(下軸承)磨損量逐漸增加、間隙增大，導致泵葉輪碰到導流體下方殼體。隨著時間的推移，這種碰擦又使泵體振動增強，長時間的泵體振動又促使下法蘭螺絲松動脫落。螺絲松動脫落后使法蘭間的調整墊塊脫落，整個法蘭因失去力平衡，在重力(光導流體和支撐法蘭質量就超過2 t)和振動雙重作用下產生的巨大作用力將導流體下支撐法蘭直接折斷。

3 導流體斷裂部位的修復

針對損壞情況，首先應修復導流體本體及斷裂的法蘭。傳統的方法是先將裂縫處打磨平整，將原法蘭與破損導流體用堆焊的方法連接起來。但經實踐，由于導流體最初是采用鑄造工藝建造，其材料為鑄鐵，采用鑄鐵電焊條堆焊焊接的結果很不理想，無法成功連接。無奈之下只好采用鋼片拼接螺栓固定的方法，即將裂縫處打磨平整后，在老法蘭處覆上以普通碳鋼為材質的圓弧段法蘭片并鉆上相應法蘭螺孔，圓弧段法蘭片與老法蘭一起被螺栓固定，再在導流體本體上覆上數塊連接片(鉆孔并用螺栓固定在導流體上)，將連接片與圓弧段經加強肋片電焊連接，其余縫隙部位用鐵水泥封堵(如圖2)。

圖2 導流體的修復過程

對于主軸中間賽龍軸承(下軸承)磨損的問題，理想的做法是更換賽龍軸套。但這樣做需要將整臺水泵吊送到車間，由于該泵最大起吊高度達12.5 m，泵體總質量22 t，電機質量為20 t，作業相對比較困難。同時由于公司生產任務緊，時間上不允許再拖延，故賽龍套需另找合適時間再檢查和更換，一旦賽龍換新葉輪和葉輪外殼的間隙須重新調整至標準值。

最后對整個泵體的動平衡和對中做現場檢驗和調整。對主軸進行對中校驗，導流體修復后葉輪與葉輪外殼的間隙為0.30～0.50 mm(標準值為0.15～0.35 mm)，雖然略超過標準值，但實際運行后發現，對泵的總體流量影響不是很大。

4 結束語

通過對某干船塢1號主排水泵現場檢查，根據斷裂部件的實際情況，分析導流體法蘭的斷裂屬性和原因，針對斷裂原因利用鋼片拼接螺栓固定方法成功加以修復。雖然最后因生產任務原因，未對泵主軸中間賽龍套(下軸承)進行更換，但修復后的泵已能滿足實際使用要求。此泵的故障和修復實例，為我們以后對此類泵的運行維護及維修保養提供了寶貴經驗，對于類似的大型泵維護保養工程也具有一定的借鑒意義。