汽輪機調節油系統尼龍聯軸器失效分析

周建平，李上元，王 琪

（廣西防城港核電有限公司，廣西防城港 538001）

0 引言

某電廠汽輪機調節油系統（GFR）3 號油站主油泵運行時突發壓力降為0 MPa 導致電機空轉事故。解體檢查發現電機與泵體之間聯軸器損壞并斷裂，如圖1a 所示。隨后電廠對其他GFR油泵均進行解體檢查，發現1 臺主油泵聯軸器出現輕微磨損，能見到少量粉末在泵軸端，聯軸器齒基本完整，如圖1b 所示。

圖1 損壞失效的聯軸器

1 連接方式及外觀檢查

1.1 連接方式

本次失效的聯軸器為同一型號批次，連接方式如圖2 所示：泵聯軸器上下部分均有一圈齒槽，分別于電機及泵軸端的齒槽相匹配以傳遞力矩。根據檢修觀察情況，聯軸器與泵軸齒槽相連部位的整圈齒槽已全部刮平，而與電機端連接的齒槽完好。拆檢泵軸端的齒槽，發現泵軸端齒槽有一個齒卷起脹鼓并帶毛邊。表明失效的聯軸器安裝不到位導致缺陷，在聯軸器安裝過程中，該凸起的毛邊將聯軸器推向凸起側，影響聯軸器的對中，聚酰胺聯軸器裝配不平形成張口；同時用較大的力將聯軸器壓進齒槽，導致聚酰胺齒槽有劃痕并且產生擠壓[1]；這種因泵軸端齒缺陷造成對中不良以及聚酰胺聯軸器劃痕損傷，在設備長期運行中會加速磨損聯軸器。

1.2 外觀檢查

1.2.1 尺寸、硬度、密度測量

圖2 聯軸器連接方式

采用游標卡尺、高硬度邵氏硬度計、密度天平分別對斷裂聯軸器樣品及磨損聯軸器樣品進行尺寸、硬度、密度測量，結果見表1。對比數據發現，斷裂聯軸器樣品的各種尺寸均大于磨損聯軸器樣品，斷裂聯軸器樣品的硬度略小于磨損聯軸器樣品的硬度，斷裂聯軸器樣品的密度略大于磨損聯軸器樣品的密度。由成分分析可知，助劑和填料很少，所以可推測斷裂聯軸器樣品的分子量略大于磨損聯軸器樣品的分子量。

表1 聯軸器樣品尺寸、硬度和密度測量

1.2.2 色差分析

根據GB/T 7921—2008《均勻色空間與色差公式》，對樣品進行色差分析，結果見表2。其中，L 值表示亮度；a、b 值為色坐標值，其中a 表示紅綠色方向顏色變化，+a 表示紅色方向變化，-a 表示綠色方向變化；b 表示黃藍方向變化，+b 表示黃色方向變化，-b 表示藍色方向變化；ΔE 值表示CIE LAB 色差。

斷裂聯軸器樣品外表面與磨損面之間的色差ΔE 約為8.03 NBS，磨損聯軸器樣品外表面與斷口面之間的色差ΔE 約為4.23 NBS。磨損聯軸器樣品外表面與斷口面色差ΔE 小于斷裂聯軸器樣品外表面與磨損面之間的色差ΔE。由于色差小的內外顏色差別小，磨損聯軸器樣品斷口顏色較深。斷裂聯軸器樣品磨損面顏色較外表面顏色差別較大。由此可以推斷，磨損聯軸器樣品內部黃變老化現象比斷裂聯軸器樣品嚴重。

表2 聯軸器外壁面與磨損面的色差

2 理化分析

2.1 傅里葉紅外光譜分析（FT-IR）

根據GB/T 7764—2001《橡膠鑒定紅外光譜法》，使用傅里葉紅外光譜分析進行材質鑒定，表明該聯軸器材質為聚己二酰己二胺（PA-66，即尼龍-66）。同時對聯軸器表面存在的磨損粉末進行分析，斷裂聯軸器磨損面表面粉末為基材磨損形成，內壁黑色異物推斷為基材老化分解殘留物，還有外來的微量氧化鐵。磨損聯軸器內壁黑色異物推斷也為基材老化分解殘留物，還有外來的微量氧化鐵和氧化銅斷裂聯軸器的填料為尼龍添加助劑滑石粉和亞磷酸類抗氧劑，磨損聯軸器的填料主要有氧化鋅、碳酸鈣和少量的滑石粉及亞磷酸酯類抗氧劑。兩者填料不一樣，耐磨系數也不一樣，可以推測廠家生產工藝管控不嚴。

2.2 熱重分析（TGA）和差示掃描量熱儀（DSC）分析

根據GB/T 14837.1—2014《橡膠和橡膠制品熱重分析法測定硫化膠和未硫化膠的成分 第1 部分》以及GB/T 13464—1992《物質熱穩定性的熱分析試驗方法》，對樣品進行熱重分析和差示掃描量熱儀分析。結果表明聯軸器共聚物樹脂含量92.38%，殘炭含量5.27%；實測灰分含量0.093%，其他助劑和填料含量2.37%，熔點263.29 ℃，在尼龍-66 的熔點（259～267 ℃）之間。

2.3 斷口掃描電鏡分析（SEM）

對聯軸器磨損面或斷口處清洗干凈，采用離子濺射法對斷口進行噴金處理后，放入掃描電鏡觀察斷口微觀形貌（圖3、圖4）。通過對磨損面進行SEM 分析可知，斷裂聯軸器樣品由摩擦引起韌性斷裂；磨損面表面粗糙，其中存在大量顆粒松動和脫落，磨損面未發現類似玻璃纖維狀物質（通常玻璃纖維是尼龍材料的添加劑，可改善尼龍材料的耐磨性）。斷裂聯軸器樣品斷面十分光滑平整，推斷為脆性斷裂，斷口面未發現類似玻璃纖維狀物質，但斷面有尖銳片狀顆粒脫落，推測為氧化鐵和氧化鋅顆粒加速了內部老化[2]。

3 原因分析與改進措施

3.1 原因分析

結合聯軸器的使用工況、實驗分析和經驗反饋，分析得出聯軸器磨損失效原因。

圖3 斷裂聯軸器磨損面形貌

圖4 磨損聯軸器磨損面形貌

（1）聯軸器失效主要原是泵軸端齒槽卷邊帶毛刺刮削聯軸器齒槽，導致聯軸器齒槽膨脹與不對中，聯軸器齒間配合不佳，運行時長期受擠壓而磨損。

（2）失效原因還包括廠家生產工藝管控不嚴，斷裂的聯軸器和磨損的聯軸器屬于同一型號產品，但兩者填料相差甚多，耐磨系數也不一致；聯軸器使用3 年，就產生了老化斷裂和磨損現象，老化程度與尼龍樹脂本身的材料性能和工藝有關。

（3）根據其他電廠的經驗，采用低熔點的PA-6 材質（230 ℃）的樹脂。與PA-66（259～267 ℃）相比具有更好的回彈性、抗疲勞及穩定性，PA-66 硬度比PA-6 高16%～17%，硬度越高，纖維的脆性越大，而越容易斷裂。

3.2 改進措施

（1）做好新備品備件的入廠驗收，要求廠家出具材質抽檢報告。

（2）PA-6 及PA-66 材質的聯軸器均適用于現場油泵，優選PA-6 材質的聯軸器，或使用無機粒子、纖維等填充劑以增強其耐磨性。

（3）在運輸、保存過程中注意保護尼龍聯軸器，避免紫外線照射、絕熱絕濕，防止磕碰，盡量使用黑色包裝袋貯存。安裝過程中應仔細檢查備件以及泵軸端齒槽的狀態，安裝時注意對中，避免擠壓齒槽以及接觸水分。

4 總結

在聯軸器成分、斷口掃描電鏡分析的基礎上，結合聯軸器材質、運行工況、力學參數、受力分析結果及斷口形貌分析結果等，確定聯軸器磨損失效的主要原因為安裝過程存在缺陷，廠家生產工藝管控不嚴導致材質不佳。針對問題制定處理措施，避免問題重發，對汽輪機調節油系統尼龍聯軸器的管理具有指導意義，為設備的安全運行提供保障。