技术供水泵膜片联轴器螺栓断裂原因分析

2018-03-31黄志峰

水电站机电技术 2018年3期

黄志峰，王　乐

（中国南方电网调峰调频发电公司检修试验中心，广东广州 511400）

0　前言

近年来，联轴器连接螺栓断裂的现象时有发生[1-5]。据报道在转子-轴承系统中60%的故障都与不对中有关，因为在一定条件下转子处于不对中状态运行时会产生不稳定的次谐波响应和高次谐波响应。高洪涛[1]等建立了膜片联轴器耦合转子-轴承系统的动力学模型，研究了不对中膜片联轴器耦合的转子-轴承系统固有特性的影响。邵万珍等[2]对冷却塔风机机组的叠层膜片联轴器连接螺栓断裂原因分析发现，螺栓根部的退刀槽因加工质量差造成应力集中，加上材料内部有夹杂物和联轴器安装问题使之发生疲劳而断裂。尤磊等[3]对喷淋泵组的联轴器螺栓进行分析，认为是螺栓强度高、硬度高、钢中存在残留的氢等因素综合作用造成断裂，属于氢脆断裂。胡国安[4]对汽轮机主油泵联轴器螺栓断裂原因分析，认为汽轮机主轴与主油泵转动轴的中心不正和汽轮机转子存在较大的不平衡量，使机组在高速运转过程中，联轴器的振动大，膜片和螺栓受力状况不断恶化，长期在疲劳和磨损状态下工作，从而导致断裂失效。崔正强等[5]分析了循环水泵泵轴联轴器螺栓断裂原因，认为螺栓头部与螺杆的连接部位没有过渡圆弧以及螺栓未进行调质处理，导致其材料强度和硬度偏低，加之泵轴轴系周期性振动的小应力造成了疲劳断裂失效。膜片联轴器是国家推广使用的一种联轴器，在大型旋转机械中应用日益广泛。本文以某抽水蓄能电站膜片联轴器连接螺栓断裂故障为例，对其断裂原因进行了分析和总结，其结论对以后的检修工作具有一定的参考意义。

1　膜片联轴器特点

膜片联轴器工作原理为几组膜片 (不锈钢薄板)用螺栓交错地与两半联轴器联接，从而将主、从动轴连接起来，形成轴系传动系统[6]。膜片联轴器具有刚柔并存的特性，在扭转上是刚性的，以拉力的方式传递扭矩，在轴向和角向上又是挠性的，是靠膜片材料的变形来吸收转动轴间存在的各种偏移的一种金属弹性元件挠性联轴器[7]。膜片联轴器具有以下优点：

（1）工作时不需要润滑，无需维护；

（2）传递扭矩能力强，使用寿命长；

（3）不对中补偿能力大，方便拆装；

（4）轴向和角向刚度小，对设备影响小[8]。

膜片联轴器分为连杆式和整体式，整体式和连杆式又可分别组成四边形、六边形和八边形等偶数边形状，如下页图1所示。左图为连杆式的单连杆，可按需拼接成偶数多边形，右图为整体式四边形结构。在本文电站中技术供水泵组采用的是整体式六边形结构的膜片联轴器。

2　联轴器螺栓断裂情况

2017年1月，巡检人员发现3号机组2号技术供水泵运行中振动较大且伴有异响，现场仔细查看后发现联轴器金属罩下面有断裂螺栓，停机检查后确认该断裂螺栓为技术供水泵组联轴器的连接螺栓。

技术供水泵为卧式单级离心泵，厂家为凯士比（KSB），型号 SPN300-610C，额定流量 1 530 m3/h，扬程45 m，转速为993 r/min，轴功率为224 kW，与之搭配的为上海上电电机有限公司制造的电动机，型号为Y355L1-6，额定功率250 kW。

技术供水泵与电机轴上都装有半联轴器，半联轴器采用热套法与两轴装配。两半联轴器之间放置有叠片膜片组，而膜片与半联轴器用6条销钉螺栓相连，每侧3条，螺栓强度等级为12.9，属高强度螺栓，其中面向水泵侧的半联轴器如图2所示。1、3、5号孔较小，为螺栓穿入孔，2、4、6号孔较大作为衬套放入孔和膜片组件的卡孔，电机侧的半联轴器孔则刚好相反，小孔对应大孔，使膜片能交错的与两个半联轴器相连，从而传递扭矩。水泵侧半联轴器的1号和3号螺栓从根部（退刀槽）位置沿螺栓横截面断裂，螺栓头掉落至地面，销钉螺杆仍卡在孔内，5号螺栓螺母松脱掉落，衬套和螺栓也都掉落，如图3所示，而且电机侧半联轴器的2号和4号螺栓也已经松动。

图2　水泵侧半联轴器示意图

图3　螺栓断口情况

3　螺栓断裂原因分析

3.1　轴线不对中问题

联轴器螺栓断裂与松动后，对泵组进行了轴线检查，发现轴线同心度和平行度均不合格，且与规定值偏差较大，数据如表1所示。检查泵和电机的地脚螺栓均未发现松动现象。随后对泵和电机侧半联轴器进行盘车检查其摆度情况，也未发现异常。为此拆下全部螺栓后，重新换上一套新的连接螺栓并重新紧固，电机和泵的螺栓保持不动，重新测量轴线后发现其平行度和同心度均符合要求，如表1所示。

表1　螺栓断裂后轴线数据

笔者随即向厂家咨询泵和电机轴的安装过程，厂家答复如下：

（1）预先安装好水泵地脚螺栓，吊装电机至电机平台，安装好两半联轴器，调整好其间距，然后使用钢板尺或者刀口尺对两半联轴器进行粗略对中；

（2）放入膜片，装上连接螺栓并打紧，使用百分表测量对其同心度和平行度精细调整，分别控制在0.10 mm和0.10 mm/100 mm以内；

（3）对电机基座进行开孔，放入地脚螺栓，紧固电机地脚螺栓，复测其同心度和平行度，确保在上述范围内，至此完成安装。

与传统鼓齿型联轴器不同[6]，膜片联轴器安装前应该先把两轴完全对中，然后再放入膜片并打紧螺栓，因为膜片联轴器属于刚柔并存类型的联轴器，半联轴器的连接螺栓对两轴会有拉扯作用，如果预先打紧螺栓再测量对中数据，则可能会与实际值有很大偏差。正如表1中所示，本次联轴器连接螺栓松动和断裂后，螺栓的拉扯力不再存在，轴线回到未受力的真正状态，此时测量得到的同心度和平行度偏差与厂家要求值均相差较大。此外，本次检修中发现如果要想在未预紧连接螺栓前把轴线调至合格状态，就必须完全拔出电机地脚螺栓，也就是说电机地脚螺栓孔和电机座孔存在错位现象，需要对电机座的地脚螺栓孔扩孔才能重新放入地脚螺栓，此现象进一步证实了厂家确实是先连接膜片并打紧螺栓后再进行轴线调整的。

如果塑性较好的材料受到较大的应力时，会有一个明显的屈服和塑性变形阶段[5]，联轴器的连接螺栓通常具有较好的塑性，而从图3中可以看出，断裂螺栓断口较为平整，未见明显的塑性变形，呈现脆性断裂的特征，正是不对中的轴线系统造成的周期性应力产生的疲劳断裂。

此电厂共有8台技术供水泵，均由同一厂家供货与安装，因此对整个电站的安全稳定运行存在较大隐患，以后必须陆续对各台电机座重新扩孔和机组轴线重新调整。

3.2　技术供水泵组底座振动

该技术供水泵组中，水泵和电机都用地脚螺栓固定在底座上，而底座平放于钢筋混凝土座上，金属底座并未整体浇筑混凝土，而且整个金属底座只用6根螺栓固定在地面且只有固定点才和地面接触，如图4所示，也就是说大部分框架底面离地面均有一定的距离，由于各边较长，所以存在弯曲振动可能。为防止金属底座各边振动导致泵组振动，在各边下面均打有楔子板。此次螺栓断裂后发现金属底座的固定螺栓有松动现象，金属底座地脚螺栓均能使用锤击扳手转动半圈以上，而且楔子板也有外移现象，因此推测泵组金属底座的振动对此次螺栓断裂也有一定影响。参考该技术供水泵的设计说明书可知，整个金属底座必须进行二次混泥土浇筑，以此防止底板的横向移动，如图5所示，而实际该电厂施工时并未实施，因此也从侧面反映了金属底座松动的可能。