某热电厂凝结水泵轴断裂原因分析

于 峰

(中国石油化工股份有限公司金陵分公司，江苏南京 210033)

某热电厂凝结水泵轴断裂原因分析

于 峰

(中国石油化工股份有限公司金陵分公司，江苏南京 210033)

某热电厂功率为100 kW转速为1 400 r/min的凝结水泵使用6 a后，6台中的1台泵轴发生断裂，断裂时断口平整，垂直于轴向，断口正中心有一径向裂纹。通过轴体材料的化学分析、机械性能分析及相应的宏观和微观观察分析，发现凝结水泵轴材质为45号钢，但并没有经过正常的调质处理，强度偏低;该断轴起源于轴心的冶金缺陷，后以扭转疲劳方式扩展至最后断裂。根据以上分析结果，提出相应的热处理工艺，并建议对轴体作必要的无损检测。

凝结水泵 轴断裂 原因分析 预防措施

1 凝结水泵轴断裂

某热电厂凝结水泵共有6台，均已使用6 a。泵的电机功率为100 kW，轴分为二段，靠链连接。轴长4.375 m，链直径42 mm，轴实际外径为31 mm。电机转速1400 r/min，断裂的轴的宏观形貌见图1。断口齐平，垂直于轴向。断口上区分二部分，中心部分直径为8 mm，轴断口正中心有一径向裂纹，离轴心1 mm基本上沿径向分布3 mm。此裂纹应为轴向缺陷，断口已经锈蚀。

图1 凝结水泵轴的断裂宏观形貌Fig.1 Fracture appearance of condensate pump shaft

2 宏观观察与分析

2.1 断口的宏观观察

断轴断口表面清洗后，进一步观察，看到了断轴中心有一条裂纹，在裂纹周围仍有细小孔洞，确定此处为这次轴的断裂源(见图2)。

断裂是从心部的裂纹开始的，断面已经破坏并发生锈蚀。

2.2 断轴的化学成分检测

检测取断轴的样品的化学成分，并与国标进行比较，结果见表1。

图2 断口的宏观形貌Fig.2 Macro appearance of broken shaft's fracture sections

表1 断轴的化学成分分析结果Table 1 Chemical composition analysis result of the broken shaft w，%

由所检测的结果可以判定，原凝结水泵轴材料为普通的45号钢，化学成分符合国标标准。

2.3 断轴材料的力学性能测定

金属的拉伸试验是检验金属材料力学性能普遍采用的一种极为重要的方法。金属的拉伸试验及其测得的性能指标，是研究金属材料使用寿命的主要工具之一。由此，采用拉伸试验来确定金属力学性能四大指标(屈服强度、抗拉强度、断面收缩率和相对伸长率)。

取断轴的一段加工成抗拉试样工件，依GB/T288-2002标准进行力学性能测定，并与45号钢的标准(GB699-88)进行比较，结果见表2。

表2 断轴的力学性能检测结果Table 2 Mechanical performance testing result of the broken shaft

从所测得的力学性能可以判断该轴强度虽然满足45号钢的GB699-88力学性能要求，但其屈服应力σp0.2偏下限。两根试样的力学性能差别较大。

淬火后高温回火的热处理方法，也就是调质处理，可以使钢的性能得到很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都较好，具有良好的综合机械性能。调质处理的45号钢的屈服应力一般可达到500 MPa以上。

3 断轴的微观观察与分析

3.1 金相显微镜的观察

取断轴断口附近样品进行金相显微镜的观察。断口截面样品的金相显微镜观察形貌见图3。未浸蚀的断口中心处存在裂纹，裂纹内有氧化物及孔洞。

浸蚀后的金相组织见图4。显微组织为珠光体+沿晶界分布的铁素体及魏氏组织(见图5和图6)。可判断该轴锻后进行过正火处理，而不是一般要求的调质处理。

图3 断口截面底部金相显微镜观察Fig.3 Metallographic microscope observation at the bottom of fracture section

图4 浸蚀后的金相显微组织Fig.4 Metallographic microstructure after etching

3.2 断口的扫描电镜观察

从断口可以看出，由于凝结水泵轴在断裂后仍在运转，使已断裂的轴口发生对磨，断口破坏。

断口在低倍的扫描电镜中所观察的形貌见图7。可以看出有圆周状的痕迹，但该断口中心突出，在突出部位的凹处的形貌见图8。这部分断口虽然表面已经锈蚀，但还是可以看出其开裂的形貌——解理开裂。在解理的中间还出现孔洞。

在偏离中心部分的断口的形貌见图9。该部位的断口呈明显的剪切断口，有明显拉长的韧窝存在——在剪应力作用下的扭转疲劳痕迹。

图5 由孔洞发展出来的裂纹Fig.5 Cracks grown from the pinholes

图6 显微组织中出现的魏氏组织ig.6 Widmanstatten structure appeared in the microstructure

图7 断口的低倍扫描电镜观察形貌Fig.7 Low magnification scanning electron microscopic observation of fracture

图8 断裂源处的扫描电镜形貌Fig.8 Scanning electron microscopic observation of the fracture source

图9 断口区域局部放大的扫描电镜形貌Fig.9 Partly magnified image on fracture area of scanning electron microscopic observation

4 原因分析

对断裂凝结水泵轴断口及材料的宏观观察和检测，可以确定该轴为45号钢，但力学性能偏低，屈服极限为380 MPa，一般作为轴件的钢需要调质处理，调质处理后的屈服极限可达500 MPa以上。断轴的显微组织为珠光体+沿晶界分布的铁素体+魏氏组织。该显微组织是锻后的正火组织，但冷却速度控制得不正常，出现了二次铁素体和魏氏组织，使轴的力学性能偏低。

根据对断轴的宏观和微观的观察与分析，断轴的断裂源在轴的心部，此心部有一明显的裂纹及小孔洞，裂纹长3 mm。这正是引起这次轴断裂的断裂源——轴心部的裂纹与孔洞。孔洞中有氧化物存在。这个缺陷是冶金缺陷。在扭转应力的作用下，可产生扭转疲劳裂纹。

由断裂源处的扫描电镜观察形貌看出，裂纹是以解理开裂形式出现，即使断轴的力学性能测定表明轴心部位的塑性要比轴边缘部位的塑性要差，但仍具有较好的塑性(δ=167，Ψ=41)。只有在受冲击载荷(如在载荷较大的情况下启动)下才出现解理开裂。断面上的扭转疲劳辉纹则是在较低载荷下缓慢扩展至断裂。这可从最后的撕裂的面积(80 mm)只占轴截面面积(804 mm)的1/10(见图10)看出，正常运转的应力是很低的。

图10 泵轴的最后瞬时断裂的面积(只占轴截面面积的1/10)ig.10 Final instantaneous fracture area of pump shaft

实践表明，金属若长期处于交变应力下，虽然最大工作应力远低于材料的屈服点应力，也有可能发生骤然断裂。而且，即使是塑性较好的材料，断裂前也无明显的塑性变形，即产生疲劳破坏。疲劳破坏实质上是由疲劳裂纹源的形成、疲劳裂纹的扩展以及最后的脆断这三个阶段所组成的破坏过程。

1.2.4.1 毛细管的处理 毛细管使用前，按顺序用超纯水、甲醇、超纯水冲洗20、20、3 min，再分别用1 mol/L NaOH活化10 min、0.1 mol/L NaOH活化40 min，最后用超纯水、缓冲溶液分别冲洗5、10 min即可。每次进样前都应分别用0.1 mol/L NaOH冲洗5 min，超纯水冲洗3 min，缓冲溶液冲洗5 min。

各种热处理缺陷(如脱碳、氧化、淬火裂纹等)严重降低疲劳性能。这些缺陷往往使表面形成拉应力并使材质弱化，而易在循环载荷作用下形成疲劳源。热处理组织对疲劳性能极为敏感，采用良好的热处理制度进行表面热处理是提高疲劳性能的有效途径之一。

超声波探伤可以揭示金属内部的面积型缺陷，如裂纹、白点、分层和焊缝中的未熔合等等;涡流探伤能发现裂纹、折叠、凹坑、夹杂、疏松等表面和近表面缺陷等。

5 结论与预防措施

5.1 结论

经过对断裂凝结水泵轴材质和断口的检测与分析，可以得出如下结论:

(1)凝结水泵轴材质为45号钢，但并没有经过正常的调质处理，强度偏低;

5.2 预防措施

(1)建议选择优质的45号锻钢作为轴材料，同时交货状态应为调质处理，使其材料的屈服强度高于500 MPa，热处理制度为850℃ ×30`水淬+510℃ ×30`回火，HB在254以上;

(2)轴应经过超声或涡流探伤，避免缺陷存在。

［1］冯维明.材料力学［M］.北京:国防工业出版社，2010:177-173，293-299.

［2］魏文光.金属的力学性能测试［M］.科学出版社，1980:2-47，213-235.

［3］《热处理手册》编委会.热处理手册第四分册［M］.机械工业出版社，1980:152-179，261-283.

［4］国家机械工业委员会统编.无损检测技术［M］.机械工业出版社，1988:29-44.

Analysis of Cracking of Condensate Pump Shaft in a Thermal Power Plant

Yu Feng
(SINOPEC Jinling Petrochemical Company，Nanjing，Jiangsu 210033)

The shaft of one of 6 condensate water pumps with a power of 100 kW and speed of 1 400 r/min in a thermal power plant fractured after 6 years’operation.The fracture was flat and perpendicular to axial，and there was a radial crack in the middle of fracture.The chemical analysis，mechanical analysis and corresponding macro and micro analysis found that the 45#steel material for condensate water pump had not been properly treated by quenching and tempering and the strength was low.The metallurgical defects from center of shaft developed，leading to final fracture.The corresponding heat treatment process is proposed and non－destruction examination is recommended for shaft.

condensate water pump，shaft fracture，cause analysis，preventive measures

A

1007－015X(2012)02－0038－04

2012－01－09。

于峰(1969－)，女，工程师。1991年毕业于四川大学(原成都科技大学)化工设备与机械专业，获工学学士学位。现在该公司机动处工程科从事计划管理工作。E-mail:yuf.jlsh@sinopec.com。

(编辑 张向阳)