舰载发射装置动环断裂故障分析与改进

2023-05-05高云，刘帅

舰船科学技术 2023年6期

高云，刘帅

(海军装备部, 湖北武汉 430000)

0 引言

涡轮泵发射系统为某型舰用发射装置的动力部分，在发射时通过叶轮高速旋转为发射装置提供高压水，高压水进入发射管将器材推动出管完成发射[1]。作为涡轮泵发射系统的重要组成部分，组合式机械密封机构在涡轮泵发射系统中起密封作用[2]，防止海水进入人员生活区，其结构如图1 所示。组合式机械密封机构共有3 级密封，在不同的工况下，不同级别的密封分别起到密封作用。一级密封是滑阀密封，由安装在泵轴上的锥套、锥套上的密封圈及滑阀组成，在涡轮泵发射系统不工作时，由一级密封实现密封功能；二级密封属于动密封，由动环、动环座、静环及静环卡环等部件组成，在涡轮泵工作过程中由二级密封实现密封功能[3]；三级密封属于应急密封，由密封压盖、应急调节螺母和装在密封压盖上的密封圈组成，在一级和二级密封均失效情况下，可通过旋紧应急调节螺母使应急调节螺母压紧密封压盖上的密封圈从而实现应急密封[4]。

图1 组合式机械密封机构Fig.1 Combined mechanical seal mechanism

1 故障分析与排查

1.1 问题定位

根据产生该动环断裂发生的机理，建立故障树模型，共建立底事件8 项，如图2 所示。将对引起动环断裂故障的可能原因进行逐一排查。

图2 动环断裂故障树Fig.2 The fault model tree of rotating seal ring

1.2 故障排查

1）设计强度问题

动环与动环座间的传动是典型的“拨叉传动形式”，动环的材料为YG6,抗弯强度（抗弯曲不断裂强度）≥1400 MPa，抗压强度≥4600 MPa，硬度≥89.5 HRA，弹性模量为5.6～6.2×105MPa。

对动环进行动力学仿真分析，施加的边界条件如下：静环与动环通过摩擦连接，摩擦系数0.4，且其弹簧挤压在一起，弹簧压力4800 N（已含水压影响）。固定静环，动环座在0.5 s 内受力转速从0 匀加速到1 500 r/min。

对静环端面施加固定约束，如图3 所示。

图3 静环端部固定约束Fig.3 Constrain the end of the static ring

对动环座端部施加弹簧压力4 800 N，如图4 所示。

图4 动环座端部施加Y 向载荷4 800 NFig.4 Apply a Y-direction load of 4 800 N to the end of rotating seat

动环座在0.5 s 内受力转速从0 匀加速到1 500 r/min（157 rad/s），其旋转瞬态结构如图5 所示。

图5 动环座瞬态结构Fig.5 Transient structural of rotating seat

经过对动环与静环间的运动进行动力学仿真，动环的应力分布如图6 和图7 所示。由仿真结果可知，动环卡槽的根部受应力最大，最大应力为34.792 MPa，满足材料的强度要求，故可以排除设计强度问题因素。

图6 动环应力分布图Fig.6 Stress distribution map of rotating seal ring

图7 动环应力峰值分布图Fig.7 Stress peak distribution map of rotating seal ring

2）材质问题

①化学成分。对断裂的动环进行了化学成分检测，结果表明，钨的含量94%，钴的含量6%，化学成分符合标准要求，故可排除化学成分不合格因素。

② 机械性能。对断裂的动环进行了机械性能检测，结果表明，硬度为91.4 HRA，抗弯强度（抗弯曲不断裂强度）为2 510 MPa，机械性能符合标准要求，故可排除机械性能不合格因素。

③材料内部应力。在真空和低压烧结动环毛坯过程中,动环毛坯会产生内部应力。线切割过程中，动环卡槽线切割部位也会产生加工应力，故不能排除材料内部应力导致的卡槽断裂。

3）圆角处微裂纹

动环为硬脆材料，动环的卡槽是由线切割加工成型的，在线切割过程中会产生瞬时高温，在切削液快速冷却的作用下，线切割部位容易产生表面微观裂纹，特别是动环卡槽的根部为锐角，属于线切割拐角部位，卡槽根部的圆角处易产生表面微观裂纹，故不能排除圆角处微裂纹导致的卡槽断裂。

4）尺寸问题

动环回厂后进行了全尺寸复测，复测的尺寸均满足图纸要求，故可排除尺寸问题因素。

5）装配问题

手动转动泵轴测量叶轮部件和叶轮室的间隙（此间隙需要经自检、专检和军检），泵轴和叶轮部件转动灵活，说明机械密封装置的动环可以自由转动，无卡滞（无额外载荷），因此可以排除装配问题因素。

6）试验问题

涡轮泵发射系统完成了多次发射试验，在试验过程中，机械密封部位未听见异常响声。试验完成后，对其进行分解，机械密封机构内部无异物，动环的密封面完好，无划伤、磨损等异常现象，说明动环转动正常，试验过程中无异物导致动环所受的摩擦力矩增大，因此可排除试验问题因素。

综上所述，动环在设计强度、化学成分、机械性能、加工尺寸、装配和试验方面均无问题，因此材料内部应力和圆角处的微裂纹共同作用导致动环断裂。

1.3 故障机理分析

机械密封机构在假海试验过程中，动环的卡槽根部会反复受到启动力矩（17.11 N·M）和摩擦力矩（最大为152 N.M）的作用，且卡槽的根部属于应力集中部位，受到最大的应力为34.792 MPa。虽然理论上动环卡槽根部不会因强度不足导致断裂，但是由于动环卡槽根部为应力集中部位，在线切割过程中，动环卡槽根部易产生表面微裂纹和加工应力，在材料的残余应力（冶炼应力、加工应力等）及外部载荷（交变特性）的共同作用下，微裂纹会逐步扩展，最终导致动环卡槽出现裂纹或断裂。

1.4 故障复现

将机械密封机构损坏的动环用同批次生产的动环更换后,进行机械密封机构台架试验验证。完成滑阀和应急密封的密封性试验后，用电机带动泵轴以约200 r/min 的转速旋转10 次。试验后，对机械密封机构进行拆检，动环未发现明显异常，放置3 天后发现动环的一个卡槽从根部断裂，如图8 所示。

图8 动环断开部位Fig.8 Split pars of rotating seal ring

对整个动环进行着色探伤检查，发现其余卡槽根部也有3 道细小裂纹，动环卡槽断裂问题故障复现，如图9 所示。

图9 动环裂纹Fig.9 Crack of rotating seal ring

2 故障解决措施与验证

2.1 动环制造工艺优化

根据动环断裂的原因，需要消除线切割过程中产生的表面微观裂纹，并降低动环卡槽根部的应力集中，采取的措施如下：

1）动环冶炼成型后进行深冷处理（温度控制在-180℃左右），改善在冶炼过程中的应力；

2）动环毛坯成型后增加超声波探伤检测工艺，保证内部无裂纹、气孔等缺陷；

3）动环卡槽根部的圆角由R0.1～R0.2 优化至R0.5～R0.7；

4）卡槽线切割时留0.2～0.3 mm 的磨削余量，通过磨削减少线切割过程中产生的表面微观裂纹，并改善线切割时的加工应力；

5）涡轮泵假海联调试验后，对机械密封进行分解、清洗，并对动环进行着色探伤，应符合标准NB/T47013.5-2015 的Ⅰ级要求（不允许存在线性缺陷）；3 天后再次进行着色探伤，符合标准NB/T47013.5-2015 的Ⅰ级要求（不允许存在线性缺陷）。

2.2 试验验证

1）动环卡槽静态拉力试验

为保证优化的制造工艺有效，在新工艺确定后，对新工艺生产的动环在静拉力试验机上进行动环卡槽静态拉力试验。试验方法如下：固定动环，在动环下方压有一可绕中心旋转的销轴，用旋转拉力机对压在动环下方的销轴进行拖拽，使销轴作用在卡槽根部，从而检验新动环卡槽在受力情况下的强度。试验完成后，对试验的动环进行着色探伤检查，动环卡槽无裂纹。

2）机械密封试验台旋转试验

按新工艺重新制造一件动环，并取后续船的一件老工艺动环，新工艺动环和老工艺动环在机械密封试验台上同时进行旋转试验，对新工艺和老工艺动环进行200 次旋转试验，试验水压均为2.4 MPa（最高水压），启动和制动时间各3 s。试验完成后，对动环进行了着色探伤检查，新工艺动环符合NB/T47013.5 的Ⅰ级要求（不允许存在线性缺陷），老工艺动环出现3 处裂纹。

3）涡轮泵系统假海联调试验

按新工艺加工2 件新动环，按照产品的装配工艺完成涡轮泵组合式机械密封的装配。为了确保动环装配无问题，保证假海联调试验的有效性，在装配完成后，先在组合式机械密封试验台上进行密封性试验检查以及试运转试验。试运转试验过程中，对高压釜分别加压至0.03 MPa，0.1 MPa，0.5 MPa，1.5 MPa 以及2.4 MPa，每组压力试运转4 次。组合式机械密封机构运行平稳，无卡滞。

随后对试运转合格的1 套组合式机械密封机构上涡轮泵系统假海试验台，进行假海联调试验，试验共计运转152 次，试验完成后对组合式机械密封机构进行拆检和清洗，并对动环进行了着色探伤，探伤结果符合标准NB/T47013.5-2015 的Ⅰ级要求（不允许存在线性缺陷）。3 天后，对该动环进行了再次着色探伤，探伤结果符合标准NB/T47013.5-2015 的Ⅰ级要求（不允许存在线性缺陷），该新工艺动环假海试验后着色探伤如图10 所示。