某核电厂冷凝水输送泵膜片联轴器螺栓断裂分析

刘计斌，刘海常，董志国，苗 龙

（辽宁红沿河核电有限公司，辽宁大连 116001）

0 引言

某核电厂冷凝水输送泵（SVA 泵）为卧式单级离心泵，泵的额定流量为25 m3/h，额定扬程为45 m。电机额定电压为380 V，功率为11 kW，电机转速为1472 r/min，接线方式为Y形，额定扭矩71.4 N·m，启动转矩倍数为2.05～2.45 倍，最大转矩倍数为2.3 倍。联轴器选用的是双膜片联轴器，公称扭矩为140 N·m，峰值扭矩为400 N·m，冲击扭矩为700 N·m。联轴器共8 颗螺栓，箱的体积有限性，冷凝水输送泵可能会频繁的启停来进行输水。泵的出口阀门一直处于常开状态，泵每次启动均为开阀启动。

查询文献，已有的联轴器螺栓断裂分析有：邵万珍等分析一L 型冷却塔风机机组的叠层膜片联轴器螺栓断裂的原因为，螺栓根部的退刀槽加工质量差、材料内部有夹杂物等冶金缺陷、联轴器安装有问题和机组中其他部件的损坏[1]；崔正强等分析循环水泵联轴器螺栓断裂的原因为，螺栓未进行调质处理，螺栓根部没有过渡圆弧和螺栓头部形状不规则产生应力集中，泵轴的周期性振动导致疲劳断裂[2]；黄志峰等分析某蓄能电站技术供水泵联轴器螺栓断裂原因为，对中不良、使螺栓产生周期性的应力而产生疲劳断裂，此外泵组底座安装时未按要求进行二次浇注、联轴器螺栓的退刀槽加工粗糙，加速了螺栓的断裂[3]；王东军等分析某柴油机叠片联轴器螺栓断裂原因，认为螺栓预紧力不足导致其受到异常应力是疲劳断裂的主要原因，螺栓硬度高且根部圆角较小等对疲劳裂纹的萌生有促进作用[4]。

1 故障描述

2020 年6 月25 日，运行人员现场巡视发现一冷凝水输送泵旁有一个断裂的螺栓头，经观察为泵联轴器的一颗螺栓断裂、另有一颗已松动，另外两颗紧固正常。马上对泵组进行切换，让故障泵保持停运状态。现场已多次出现该型泵的膜片联轴器螺栓从根部断裂的情况，更换新的螺栓备件还是会出现根部断裂现象（图1）。通过多次更换和使用前对联轴器螺栓进行检查，排除了联轴器螺栓的质量问题。

图1 断裂螺栓

2 原因分析

（1）在联轴器螺栓断裂后，为排查故障原因对泵组的对中情况进行复查：联轴器对轮间距140.10 mm，满足（140 ±0.4）mm 标准；平行度偏差最大为0.015 mm，同轴度偏差最大为0.045 mm，对中数据均在合格范围内（要求为不大于0.05 mm），未发现异常。在其他该型泵组联轴器螺栓断裂时也存在类似情况，泵组对中数据均无异常。同时在再鉴定过程中，泵组振动数据也均正常，距离报警值有很大裕度。由于该泵启动的不确定性，在巡检过程中很少遇到该泵运行，但在运行时得振动测量数据中未发现异常，因此可以排除泵组对中的因素。

（2）对联轴器进行校核，电机最大扭矩约为164.2 N·m，大于联轴器公称扭矩（140 N·m），但远小于峰值扭矩（400 N·m）。因此联轴器的扭矩是满足使用要求的。

（3）检查螺栓根部加工有退刀槽，并且退刀槽加工整齐，能很好地避免螺栓根部出现应力集中的现象。观察联轴器衬套表面有轻微咬痕，在安装盘与衬套咬合后，会对螺栓产生额外的轴向力，在联轴器工作状态下会增大螺栓根部所受的弯曲力，叠加退刀槽使螺栓根部截面积减小，加剧螺栓的疲劳断裂。

（4）检查螺栓的断口，宏观观察断口较为平齐，未见明显的塑性变形及腐蚀痕迹（图2）。

图2 断口宏观形貌

（5）在螺栓直杆部分取样对纵截面和横截面做金相检验，螺柱金相组织为保留马氏体位向的回火索氏体，硬度满足设计要求（图3）。

图3 失效螺栓金相组织

（6）将断口置于扫描电镜下观察，断口较为平坦，启裂位置位于两侧1、2 区边缘，可见明显疲劳勾线，高倍下观察，1 区、2 区均可见疲劳辉纹，3 区呈韧窝+解理特征，为断裂终端区（图4）。

图4 断口微观形貌

从扫描电镜观察的结果可以得出，螺栓断面存在疲劳现象。综合分析后认为，由于受往到复弯曲力，螺栓从根部两侧开始产生疲劳裂纹，随着泵频繁启停裂纹向中心区域扩展，在受力面积不足后出现脆性断裂。

3 结论

从以上分析可以得出螺栓断裂的原因，可以排除联轴器对中不合格，联轴器选型不正确、螺栓根部存在应力集中和螺栓材料不满足要求，分析断裂原因为疲劳断裂。该泵受机组状态和系统凝结水量影响，若凝结水量较大则凝结水贮存箱很快会从低液位上升至高液位，冷凝水输送泵会频繁启停进行输水。在启动过程中实际力矩会超过联轴器公称力矩，叠加安装盘与衬套咬合，对螺栓产生额外的轴向力，增加了螺栓根部所受的弯曲力，在停泵过程中螺栓另一侧根部受力。在泵的频繁启停过程中，会加剧螺栓的疲劳断裂。

将该问题反馈给泵生产厂家，厂家分析后认为现场泵为开阀启泵，瞬时力矩较大，联轴器的抗冲击裕度不足。在频繁启停时容易出现联轴器螺栓断裂情况，对联轴器进行换型，将联轴器公称扭矩增大至400 N·m。由于增大了联轴器的安全裕度，保证联轴器螺栓能够正常工作，不会再出现疲劳断裂的情况。该方法解决了联轴器螺栓频繁断裂问题，但未能消除联轴器螺栓根部所受的弯曲力。

针对螺栓由于受拉导致螺栓头与安装盘挤压的问题，只有减小螺栓所受的拉力才能从根本上消除疲劳断裂现象。建议在螺栓根部位置处增加1 个柔性材料垫片，在螺栓受拉时通过垫片变形减少螺栓头所受的轴向力和弯曲力，减缓此处的疲劳作用，使用螺栓的抗剪切力来传递动力和扭矩。联轴器螺栓使用的是自锁螺母，可以避免增加柔性材料垫片导致的螺母松动。在停泵后通过柔性材料的弹性将螺栓恢复至初始的安装位置，为下一次的启泵做好准备。通过改变受力方式，可以增加通过螺栓抗剪切力所传递的动力，避免联轴器性能的浪费。