汽轮机联轴器断齿原因分析

张 杰，吴继权，邱康勇，贺 艳，曾 雷

(深圳市特种设备安全检验研究院，深圳 518029)

0 引 言

在汽轮机的结构中，汽轮机主油泵转动轴与汽轮机转子主轴之间的重要连接部件为联轴器。通常根据联轴器的结构与性能，联轴器可分为刚性联轴器、挠性联轴器、安全联轴器三大类，其中挠性联轴器又可分为滑块式联轴器、齿式联轴器、链条联轴器、滚子联轴器等类型[1-2]。目前，用在汽轮机主油泵转动轴与汽轮机转子主轴之间的联轴器主要是齿式联轴器。齿式联轴器能否正常工作直接影响到汽轮机运行的安全性及可靠性[3-5]。

2020年，某电厂汽轮机出现故障，工作人员发现主油泵不工作，盘动汽轮机主油泵转动轴与汽轮机转子主轴之间的齿式联轴器发现，主油泵转动轴不转动，但汽轮机转子主轴可以转动。将该齿式联轴器解体发现，主油泵侧半联轴器的外齿套与内齿轮上均发生过大范围断齿，导致外齿套与内齿轮不能啮合，联轴器发生失效，无法传递力矩。该齿式联轴器材质为25Cr2MoV，表面经过渗氮处理，该齿式联轴器安装后实际使用时间约5 000 h。为降低齿式联轴器失效事件再次发生的概率，减少经济损失，对汽轮机主油泵侧半联轴器进行分析，查找断齿原因。

1 宏观检查

汽轮机主油泵侧半联轴器宏观形貌见图1。从图1中可见：该侧半联轴器齿数为38个；外齿套与内齿轮上的轮齿不能相互交错，配合处存在较大间隙；内齿轮表面存在三处打磨痕迹，为汽轮机主油泵侧半联轴器安装过程中,内齿轮固定用点焊痕迹。

图1 汽轮机主油泵侧半联轴器宏观形貌Fig.1 Macro morphology of half coupling at main oil pump side of steam turbine

汽轮机主油泵侧半联轴器外齿套与内齿轮分离后的宏观形貌分别见图2、图3。从图中可见：外齿套与内齿轮上的轮齿均存在磨损及断齿现象，并且在外齿套与内齿轮的一侧均保留较大的残齿。由此可以说明外齿套与内齿轮并未完全啮合。根据主油泵侧半联轴器外齿套与内齿轮上断齿情况，外齿套与内齿轮上断裂面相对平齐(残留齿较少)的地方应为首断齿。将外齿套与内齿轮上的首断齿截取下来做进一步分析。

图2 主油泵侧半联轴器内齿轮宏观形貌Fig.2 Macro morphology of internal gear of half coupling on the side of main oil pump

图3 主油泵侧半联轴器外齿套宏观形貌Fig.3 Macro appearance of outer gear sleeve of half coupling on the side of main oil pump

2 理化检验

2.1 化学成分分析

分别从汽轮机主油泵侧半联轴器外齿套、内齿轮上截取试样，经清洗、干燥、打磨后，采用台式直读光谱仪进行化学成分光谱分析，分析结果见表1。外齿套、内齿轮化学成分光谱分析结果均符合GB/T 3077—2015《合金结构钢》[6]对25Cr2MoV的技术要求。

表1 化学成分的质量分数Table 1 Mass fraction of chemical composition 单位：%

2.2 金相组织分析

分别在外齿套、内齿轮的首断齿上截取纵截面试样，经镶嵌、打磨、抛光后，用4%硝酸酒精溶液进行浸蚀，试样金相组织如图4所示。

图4 金相组织Fig.4 Metallographic structure

其中，图4(a)为外齿套上轮齿的金相组织，图4(b)为内齿轮上轮齿的金相组织。外齿套上轮齿的金相组织与内齿轮上轮齿的金相组织相同，轮齿外表面到心部组织依次为：最外层为白亮层，次外层即扩散层为含氮索氏体，心部组织为索氏体+少部分块状铁素体。

2.3 硬度分析

分别在外齿套、内齿轮的首断齿上截取纵截面试样，经镶嵌、磨抛后，置于维氏硬度计上，沿轮齿表面往心部方向进行维氏硬度检测，结果见表2。外齿套上轮齿表面硬度与内齿轮上轮齿表面硬度大体相当；心部硬度结果也非常接近。其中外齿套上轮齿的硬度最大为756 HV0.3，最小为265 HV0.3；内齿轮上轮齿的硬度最大为731 HV0.3，最小为263 HV0.3。根据表2中的数据绘制维氏硬度梯度曲线，见图5。

表2 轮齿维氏硬度Table 2 Vickers hardness of gear teeth

图5 维氏硬度梯度曲线Fig.5 Vickers hardness gradient curve

根据GB/T 11353—2005《钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验》[7]中硬度法定义并结合表2及图5可知，外齿套上轮齿的渗氮层深度大约为0.34 mm；内齿轮上轮齿的渗氮层深度大约为0.33 mm。

3 综合分析

主油泵侧半联轴器外齿套、内齿轮的化学成份分析结果均符合GB/T3077—1999《合金结构钢》对25Cr2MoV的技术要求。该侧联轴器内主要金相组织为回火索氏体，组织没有明显异常。通过对主油泵侧半联轴器外齿套、内齿轮进行宏观检查，可以判断出主油泵侧半联轴器外齿套、内齿轮在工作时没有完全啮合，从而说明联轴器在工作过程中，相互接触的轮齿在单位面积内受到的平均作用力更大。主油泵侧联轴器外齿套、内齿轮上的轮齿经过表面渗氮处理，其中外齿套上轮齿的渗氮层深度大约为0.34 mm；内齿轮上轮齿的渗氮层深度大约为0.33 mm。结合图6，外齿套上轮齿渗氮层内外边缘维氏硬度为756 HV0.3/317 HV0.3，维氏硬度梯度为1291 HV0.3/mm；内齿轮上轮齿渗氮层内外边缘维氏硬度为731 HV0.3/316 HV0.3，维氏硬度梯度为1257 HV0.3/mm。由此可见,轮齿渗氮层存在厚度偏小、硬度梯度过大的问题。与此同时，在联轴器安装的过程中，在内齿轮上采用三点电焊进行定位，容易造成联轴器各齿受力不均，也对本次联轴器断齿有一定作用。

综上所述，联轴器断齿原因主要与轮齿自身硬度梯度过大及轮齿受力不均有关；联轴器轮齿表面渗氮处理不充分，造成材料表面渗氮层厚度较薄，使得轮齿上硬度梯度过大，轮齿表面的渗氮层在应力作用下破裂、脱落，暴露的基体不耐磨，轮齿发生断裂。

4 结 语

此次汽轮机用齿式联轴器断齿虽未引起事故，但依然有引起重视的情况。主要存在以下两个方面:第一，企业在采购零部件的过程中，应严格根据使用工况选择合适的零部件；第二，企业在更换、安装零部件时，不能贪图一时方便，应严格制定相应方案，并将更换、安装带来的影响降到最低，同时落实监督原则，避免零部件安装不完全。