汽輪機聯軸器斷齒原因分析

張 杰，吳繼權，邱康勇，賀 艷，曾 雷

(深圳市特種設備安全檢驗研究院，深圳 518029)

0 引 言

在汽輪機的結構中，汽輪機主油泵轉動軸與汽輪機轉子主軸之間的重要連接部件為聯軸器。通常根據聯軸器的結構與性能，聯軸器可分為剛性聯軸器、撓性聯軸器、安全聯軸器三大類，其中撓性聯軸器又可分為滑塊式聯軸器、齒式聯軸器、鏈條聯軸器、滾子聯軸器等類型[1-2]。目前，用在汽輪機主油泵轉動軸與汽輪機轉子主軸之間的聯軸器主要是齒式聯軸器。齒式聯軸器能否正常工作直接影響到汽輪機運行的安全性及可靠性[3-5]。

2020年，某電廠汽輪機出現故障，工作人員發現主油泵不工作，盤動汽輪機主油泵轉動軸與汽輪機轉子主軸之間的齒式聯軸器發現，主油泵轉動軸不轉動，但汽輪機轉子主軸可以轉動。將該齒式聯軸器解體發現，主油泵側半聯軸器的外齒套與內齒輪上均發生過大范圍斷齒，導致外齒套與內齒輪不能嚙合，聯軸器發生失效，無法傳遞力矩。該齒式聯軸器材質為25Cr2MoV，表面經過滲氮處理，該齒式聯軸器安裝后實際使用時間約5 000 h。為降低齒式聯軸器失效事件再次發生的概率，減少經濟損失，對汽輪機主油泵側半聯軸器進行分析，查找斷齒原因。

1 宏觀檢查

汽輪機主油泵側半聯軸器宏觀形貌見圖1。從圖1中可見：該側半聯軸器齒數為38個；外齒套與內齒輪上的輪齒不能相互交錯，配合處存在較大間隙；內齒輪表面存在三處打磨痕跡，為汽輪機主油泵側半聯軸器安裝過程中,內齒輪固定用點焊痕跡。

圖1 汽輪機主油泵側半聯軸器宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of half coupling at main oil pump side of steam turbine

汽輪機主油泵側半聯軸器外齒套與內齒輪分離后的宏觀形貌分別見圖2、圖3。從圖中可見：外齒套與內齒輪上的輪齒均存在磨損及斷齒現象，并且在外齒套與內齒輪的一側均保留較大的殘齒。由此可以說明外齒套與內齒輪并未完全嚙合。根據主油泵側半聯軸器外齒套與內齒輪上斷齒情況，外齒套與內齒輪上斷裂面相對平齊(殘留齒較少)的地方應為首斷齒。將外齒套與內齒輪上的首斷齒截取下來做進一步分析。

圖2 主油泵側半聯軸器內齒輪宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of internal gear of half coupling on the side of main oil pump

圖3 主油泵側半聯軸器外齒套宏觀形貌Fig.3 Macro appearance of outer gear sleeve of half coupling on the side of main oil pump

2 理化檢驗

2.1 化學成分分析

分別從汽輪機主油泵側半聯軸器外齒套、內齒輪上截取試樣，經清洗、干燥、打磨后，采用臺式直讀光譜儀進行化學成分光譜分析，分析結果見表1。外齒套、內齒輪化學成分光譜分析結果均符合GB/T 3077—2015《合金結構鋼》[6]對25Cr2MoV的技術要求。

表1 化學成分的質量分數Table 1 Mass fraction of chemical composition 單位：%

2.2 金相組織分析

分別在外齒套、內齒輪的首斷齒上截取縱截面試樣，經鑲嵌、打磨、拋光后，用4%硝酸酒精溶液進行浸蝕，試樣金相組織如圖4所示。

圖4 金相組織Fig.4 Metallographic structure

其中，圖4(a)為外齒套上輪齒的金相組織，圖4(b)為內齒輪上輪齒的金相組織。外齒套上輪齒的金相組織與內齒輪上輪齒的金相組織相同，輪齒外表面到心部組織依次為：最外層為白亮層，次外層即擴散層為含氮索氏體，心部組織為索氏體+少部分塊狀鐵素體。

2.3 硬度分析

分別在外齒套、內齒輪的首斷齒上截取縱截面試樣，經鑲嵌、磨拋后，置于維氏硬度計上，沿輪齒表面往心部方向進行維氏硬度檢測，結果見表2。外齒套上輪齒表面硬度與內齒輪上輪齒表面硬度大體相當；心部硬度結果也非常接近。其中外齒套上輪齒的硬度最大為756 HV0.3，最小為265 HV0.3；內齒輪上輪齒的硬度最大為731 HV0.3，最小為263 HV0.3。根據表2中的數據繪制維氏硬度梯度曲線，見圖5。

表2 輪齒維氏硬度Table 2 Vickers hardness of gear teeth

圖5 維氏硬度梯度曲線Fig.5 Vickers hardness gradient curve

根據GB/T 11353—2005《鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗》[7]中硬度法定義并結合表2及圖5可知，外齒套上輪齒的滲氮層深度大約為0.34 mm；內齒輪上輪齒的滲氮層深度大約為0.33 mm。

3 綜合分析

主油泵側半聯軸器外齒套、內齒輪的化學成份分析結果均符合GB/T3077—1999《合金結構鋼》對25Cr2MoV的技術要求。該側聯軸器內主要金相組織為回火索氏體，組織沒有明顯異常。通過對主油泵側半聯軸器外齒套、內齒輪進行宏觀檢查，可以判斷出主油泵側半聯軸器外齒套、內齒輪在工作時沒有完全嚙合，從而說明聯軸器在工作過程中，相互接觸的輪齒在單位面積內受到的平均作用力更大。主油泵側聯軸器外齒套、內齒輪上的輪齒經過表面滲氮處理，其中外齒套上輪齒的滲氮層深度大約為0.34 mm；內齒輪上輪齒的滲氮層深度大約為0.33 mm。結合圖6，外齒套上輪齒滲氮層內外邊緣維氏硬度為756 HV0.3/317 HV0.3，維氏硬度梯度為1291 HV0.3/mm；內齒輪上輪齒滲氮層內外邊緣維氏硬度為731 HV0.3/316 HV0.3，維氏硬度梯度為1257 HV0.3/mm。由此可見,輪齒滲氮層存在厚度偏小、硬度梯度過大的問題。與此同時，在聯軸器安裝的過程中，在內齒輪上采用三點電焊進行定位，容易造成聯軸器各齒受力不均，也對本次聯軸器斷齒有一定作用。

綜上所述，聯軸器斷齒原因主要與輪齒自身硬度梯度過大及輪齒受力不均有關；聯軸器輪齒表面滲氮處理不充分，造成材料表面滲氮層厚度較薄，使得輪齒上硬度梯度過大，輪齒表面的滲氮層在應力作用下破裂、脫落，暴露的基體不耐磨，輪齒發生斷裂。

4 結 語

此次汽輪機用齒式聯軸器斷齒雖未引起事故，但依然有引起重視的情況。主要存在以下兩個方面:第一，企業在采購零部件的過程中，應嚴格根據使用工況選擇合適的零部件；第二，企業在更換、安裝零部件時，不能貪圖一時方便，應嚴格制定相應方案，并將更換、安裝帶來的影響降到最低，同時落實監督原則，避免零部件安裝不完全。