某核電廠冷凝水輸送泵膜片聯軸器螺栓斷裂分析

劉計斌，劉海常，董志國，苗 龍

（遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧大連 116001）

0 引言

某核電廠冷凝水輸送泵（SVA 泵）為臥式單級離心泵，泵的額定流量為25 m3/h，額定揚程為45 m。電機額定電壓為380 V，功率為11 kW，電機轉速為1472 r/min，接線方式為Y形，額定扭矩71.4 N·m，啟動轉矩倍數為2.05～2.45 倍，最大轉矩倍數為2.3 倍。聯軸器選用的是雙膜片聯軸器，公稱扭矩為140 N·m，峰值扭矩為400 N·m，沖擊扭矩為700 N·m。聯軸器共8 顆螺栓，箱的體積有限性，冷凝水輸送泵可能會頻繁的啟停來進行輸水。泵的出口閥門一直處于常開狀態，泵每次啟動均為開閥啟動。

查詢文獻，已有的聯軸器螺栓斷裂分析有：邵萬珍等分析一L 型冷卻塔風機機組的疊層膜片聯軸器螺栓斷裂的原因為，螺栓根部的退刀槽加工質量差、材料內部有夾雜物等冶金缺陷、聯軸器安裝有問題和機組中其他部件的損壞[1]；崔正強等分析循環水泵聯軸器螺栓斷裂的原因為，螺栓未進行調質處理，螺栓根部沒有過渡圓弧和螺栓頭部形狀不規則產生應力集中，泵軸的周期性振動導致疲勞斷裂[2]；黃志峰等分析某蓄能電站技術供水泵聯軸器螺栓斷裂原因為，對中不良、使螺栓產生周期性的應力而產生疲勞斷裂，此外泵組底座安裝時未按要求進行二次澆注、聯軸器螺栓的退刀槽加工粗糙，加速了螺栓的斷裂[3]；王東軍等分析某柴油機疊片聯軸器螺栓斷裂原因，認為螺栓預緊力不足導致其受到異常應力是疲勞斷裂的主要原因，螺栓硬度高且根部圓角較小等對疲勞裂紋的萌生有促進作用[4]。

1 故障描述

2020 年6 月25 日，運行人員現場巡視發現一冷凝水輸送泵旁有一個斷裂的螺栓頭，經觀察為泵聯軸器的一顆螺栓斷裂、另有一顆已松動，另外兩顆緊固正常。馬上對泵組進行切換，讓故障泵保持停運狀態。現場已多次出現該型泵的膜片聯軸器螺栓從根部斷裂的情況，更換新的螺栓備件還是會出現根部斷裂現象（圖1）。通過多次更換和使用前對聯軸器螺栓進行檢查，排除了聯軸器螺栓的質量問題。

圖1 斷裂螺栓

2 原因分析

（1）在聯軸器螺栓斷裂后，為排查故障原因對泵組的對中情況進行復查：聯軸器對輪間距140.10 mm，滿足（140 ±0.4）mm 標準；平行度偏差最大為0.015 mm，同軸度偏差最大為0.045 mm，對中數據均在合格范圍內（要求為不大于0.05 mm），未發現異常。在其他該型泵組聯軸器螺栓斷裂時也存在類似情況，泵組對中數據均無異常。同時在再鑒定過程中，泵組振動數據也均正常，距離報警值有很大裕度。由于該泵啟動的不確定性，在巡檢過程中很少遇到該泵運行，但在運行時得振動測量數據中未發現異常，因此可以排除泵組對中的因素。

（2）對聯軸器進行校核，電機最大扭矩約為164.2 N·m，大于聯軸器公稱扭矩（140 N·m），但遠小于峰值扭矩（400 N·m）。因此聯軸器的扭矩是滿足使用要求的。

（3）檢查螺栓根部加工有退刀槽，并且退刀槽加工整齊，能很好地避免螺栓根部出現應力集中的現象。觀察聯軸器襯套表面有輕微咬痕，在安裝盤與襯套咬合后，會對螺栓產生額外的軸向力，在聯軸器工作狀態下會增大螺栓根部所受的彎曲力，疊加退刀槽使螺栓根部截面積減小，加劇螺栓的疲勞斷裂。

（4）檢查螺栓的斷口，宏觀觀察斷口較為平齊，未見明顯的塑性變形及腐蝕痕跡（圖2）。

圖2 斷口宏觀形貌

（5）在螺栓直桿部分取樣對縱截面和橫截面做金相檢驗，螺柱金相組織為保留馬氏體位向的回火索氏體，硬度滿足設計要求（圖3）。

圖3 失效螺栓金相組織

（6）將斷口置于掃描電鏡下觀察，斷口較為平坦，啟裂位置位于兩側1、2 區邊緣，可見明顯疲勞勾線，高倍下觀察，1 區、2 區均可見疲勞輝紋，3 區呈韌窩+解理特征，為斷裂終端區（圖4）。

圖4 斷口微觀形貌

從掃描電鏡觀察的結果可以得出，螺栓斷面存在疲勞現象。綜合分析后認為，由于受往到復彎曲力，螺栓從根部兩側開始產生疲勞裂紋，隨著泵頻繁啟停裂紋向中心區域擴展，在受力面積不足后出現脆性斷裂。

3 結論

從以上分析可以得出螺栓斷裂的原因，可以排除聯軸器對中不合格，聯軸器選型不正確、螺栓根部存在應力集中和螺栓材料不滿足要求，分析斷裂原因為疲勞斷裂。該泵受機組狀態和系統凝結水量影響，若凝結水量較大則凝結水貯存箱很快會從低液位上升至高液位，冷凝水輸送泵會頻繁啟停進行輸水。在啟動過程中實際力矩會超過聯軸器公稱力矩，疊加安裝盤與襯套咬合，對螺栓產生額外的軸向力，增加了螺栓根部所受的彎曲力，在停泵過程中螺栓另一側根部受力。在泵的頻繁啟停過程中，會加劇螺栓的疲勞斷裂。

將該問題反饋給泵生產廠家，廠家分析后認為現場泵為開閥啟泵，瞬時力矩較大，聯軸器的抗沖擊裕度不足。在頻繁啟停時容易出現聯軸器螺栓斷裂情況，對聯軸器進行換型，將聯軸器公稱扭矩增大至400 N·m。由于增大了聯軸器的安全裕度，保證聯軸器螺栓能夠正常工作，不會再出現疲勞斷裂的情況。該方法解決了聯軸器螺栓頻繁斷裂問題，但未能消除聯軸器螺栓根部所受的彎曲力。

針對螺栓由于受拉導致螺栓頭與安裝盤擠壓的問題，只有減小螺栓所受的拉力才能從根本上消除疲勞斷裂現象。建議在螺栓根部位置處增加1 個柔性材料墊片，在螺栓受拉時通過墊片變形減少螺栓頭所受的軸向力和彎曲力，減緩此處的疲勞作用，使用螺栓的抗剪切力來傳遞動力和扭矩。聯軸器螺栓使用的是自鎖螺母，可以避免增加柔性材料墊片導致的螺母松動。在停泵后通過柔性材料的彈性將螺栓恢復至初始的安裝位置，為下一次的啟泵做好準備。通過改變受力方式，可以增加通過螺栓抗剪切力所傳遞的動力，避免聯軸器性能的浪費。