给水泵泵轴断裂失效分析.pdf

第 6 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.6 No.1Feb.2023西部特种设备WESTERN SPECIAL EQUIPMENT给水泵泵轴断裂失效分析张杰邱康勇贺艳吴继权(深圳市质量安全检验检测研究院 广东深圳 518029）摘 要：针对一起余热锅炉给水泵泵轴断裂失效案例，通过多种检测手段对断裂的给水泵泵轴分别进行宏观检查、化学成分分析、显微组织分析、硬度分析及断口扫描电镜分析。结果表明：当给水泵工作时，在弯曲应力作用下，裂纹在泵轴上的螺纹与轴段之间的过渡区（应力集中区）产生并不断扩展，由于泵轴上的键槽和圆头平键之间的磨损导致泵轴在运行过程中为偏心运转，泵轴最终发生偏心疲劳断裂。因此，建议泵轴生产厂家在生产泵轴的过程中提高泵轴上过渡位置的加工精度，减少残留加工刀痕，避免形成应力集中。关键词：泵轴；断裂；裂纹；疲劳中图分类号：TH133.2 文献标志码：B 文章编号：2096-4765（2023）01-061-005Fracture Failure Analysis of Feed Water Pump ShaftZhang Jie Qiu Kangyong He Yan Wu Jiquan(Shenzhen Institute of Quality&Safety Inspection and Research,Shenzhen,Guangdong 518029)Abstract:According to the fracture failure case of the feed pump shaft of a waste heat boiler，macro inspection，chemical composition analysis，microstructure analysis，hardness analysis，fracture scanning electron microscope analysis of the fracture feed pump shaft was carried out by various detection methods.The results showed that when the feed pump was working，under the action of bending stress，the crack was generated and continuously expanded in the transition zone(stress concentration zone)between the screw thread and the shaft section on the pump shaft.Due to the wear between the keyway and the round head flat key on the pump shaft，the pump shaft was eccentric during operation，and the eccentric fatigue fracture of the pump shaft finally occured.Therefore，it was recommended that the pump shaft manufacturer improve the machining accuracy of the transition position on the pump shaft during the production of the pump shaft，which could reduce the residual machining tool marks and avoid the formation of stress concentration.Keywords:Pump shaft;Fracture;Crack;Fatigue收稿日期：2022-11-5 作者简介：张杰（1991），男，硕士，工程师，主要从事金属材料理化检验及机械、承压设备失效分析工作。622023 年 2 月西 部 特 种 设 备引言轴是转动机械的重要组成部分。根据所受载荷的不同，通常将轴分为心轴、传动轴和转轴三种；根据轴线情况的不同又可分为直轴、曲轴及挠性钢丝轴1。其中直轴包括各段直径不变的光轴与各段直径变化的阶梯轴。目前市面上在用的轴中对使用性能要求较高的主要是阶梯轴，阶梯轴工作情况的好坏直接影响到整台设备的性能与质量。2021 年某日，华南地区某电力企业内部的余热锅炉在运行过程中，中压给水泵泵轴发生断裂。该台余热锅炉启停频繁（白天开启，晚上停炉），给水泵的停启与锅炉的停启几乎同步进行。给水泵泵轴是一个转轴，同时也是一个阶梯轴（泵轴的结构示意图见图 1），断裂位置位于轴颈区域的键槽上。给水泵泵轴的标称材料为 3Cr13，圆头平键的标称材料为 2Cr13。为查明给水泵泵轴断裂原因，避免类似事件再次发生，减少企业经济损失，笔者对断裂的给水泵泵轴进行了失效分析。图 1 泵轴结构示意图2 理化检测分析2.1 宏观检查泵轴断裂成长度不等的两截 见图 2（a），其中短的一截长度约为 107 mm，记作 A 节；长的一截长度约为 887 mm，记作 B 节，泵轴断裂位置处的键槽外表面有打磨痕迹（泵轴拆卸时造成），键槽内一端边缘形状较为完好 见图 2（b），另一端可见弧形损伤痕 见图 2（c），损伤痕迹具有不规则的挤压、磨损的形貌特征。在 A 节泵轴断口附近的轴段与螺纹交界的台阶处，没有圆弧过渡，同时可见残留加工刀痕 见图 2（d）。将两个泵轴断口拼接后可知，键槽内的弧形损伤偏向一边，与泵轴转动时圆头平键的运动方向一致 见图2（e）。（a）（a）泵轴局部宏观形貌；（b）A 节泵轴局部宏观形貌；（c）B 节泵轴局部宏观形貌，红色圆圈内为弧形损伤痕迹；（d）A 节泵轴局部形貌（轴段与螺纹交界处可见加工刀痕）；（e）两个泵轴断口拼接后形貌图 2 给水泵泵轴宏观形貌泵轴断口平整，断口附近无明显的塑性变形、颈缩（属脆性断裂）。在 A 节泵轴断口上与 B 节断口上均可见疲劳贝纹线（见图 3，具体位置位于键槽的斜对面），但起裂源与最后断裂区及泵轴截面圆心不在同一条直线上，因此，本次泵轴断裂应是偏心疲劳断裂（起裂源位于泵轴表面，裂纹由外(b）（d）（c）（e）断裂位置第 6 卷 第 1 期63张杰，等：给水泵泵轴断裂失效分析往内扩展，最后断裂区位于键槽一侧）2。（a）A 节泵轴断口形貌；（b）B 节泵轴断口形貌图 3 给水泵泵轴断口形貌2.2 化学成分分析在泵轴上截取光谱试样，经打磨后，采用台式直读光谱仪对其进行化学成分光谱分析，分析结果见表 1。泵轴的化学成分分析结果符合不锈钢棒（GB/T 12202007）3对 3Cr13 的技术要求。对泵轴上的圆头平键进行打磨后，采用 X 射线荧光光谱仪对合金元素进行分析，分析结果见表2。圆头平键中的关键合金元素含量不符合不锈钢棒（GB/T 12202007）3对 2Cr13 的技术要求。2.3 显微组织分析在泵轴断口附近截取试样，所截试样经镶嵌、打磨、抛光后，用苦味酸盐酸酒精溶液进行浸蚀，试样显微组织见图 4。泵轴的显微组织为回火索氏体组织 见图 4（a）、图 4（b）；泵轴外表面可见明显镀层，镀层厚度较为均匀，厚度约为113.2 m 见图 4（a）。在泵轴断口附近截取试样，所截试样经镶嵌、打磨、抛光后进行维氏硬度试验，试验结果见表 3。泵轴基体维氏硬度值为 275281 HV，泵轴表面镀层维氏硬度值为 842847 HV，表面镀层硬度高于泵轴基体硬度。（a）200；（b）500图 4 泵轴断口附近显微组织2.4 硬度分析在泵轴断口附近截取试样，所截试样经打磨（a）（a）(b）（b）表 3 泵轴维氏硬度测试结果（HV）表 1 泵轴成分分析结果（质量分数/%）项目测点 1测点 2测点 3测点 4测点 5泵轴基体275281279278279泵轴表面镀层842843847843844项目CSiMnPSCrNi泵轴0.270.760.360.020.0212.210.15标准值0.260.35 1.00 1.00 0.040 0.03012.0014.00 0.60项目MnCrNi圆头平键1.0918.038.10标准值 1.0012.0014.00 0.60表 2 键成分分析结果（质量分数/%）最后断裂区最后断裂区起裂源起裂源642023 年 2 月西 部 特 种 设 备抛光后进行洛氏硬度试验；同时对圆头平键进行洛氏硬度试验，试验结果见表 4。泵轴基体洛氏硬度值为 24.724.9 HRC，圆头平键洛氏硬度值为31.431.6 HRC，圆头平键硬度高于泵轴基体硬度。表 4 泵轴及圆头平键洛氏硬度测试结果（HRC）2.5 断口扫描电镜分析将泵轴断口截取下来，经清洗、干燥后，置于扫描电镜下进行观察。起裂源附近可见由于加工残留痕迹形成类似微裂纹的形貌特征 图 5（a），扩展区可见疲劳辉纹 见图 5（b），最后断裂区呈解理断裂形貌特征 见图 5（c）。对泵轴外表面的镀层进行能谱分析，分析结果见图 6，该镀层主要元素为 Cr 元素。（a）（b）（c）项目测点 1测点 2测点 3测点 4测点 5泵轴基体24.724.924.824.724.8圆头平键31.431.531.631.431.5（a）起裂源形貌；（b）扩展区形貌；（c）最后断裂区形貌；图 5 泵轴断口微观形貌图 6 镀层能谱分析结果284 日期 2021-8-25 9:01:44 图像尺寸 1 024768 放大倍率：200高压：15.0kv日期 2021-8-25 9:03:07紫色线:C 元素;红色线:cr 元素;绿色线:Mn 元素高压：15.0kv Puls th.8.56kcpskeVcps/eV目标24681020151050第 6 卷 第 1 期653 综合分析本次泵轴断裂的区域位于轴径位置，该位置主要是泵轴与轴承连接的位置，因此在该位置上泵轴主要承受的是弯曲应力。但对泵轴断裂位置进一步明确可知，泵轴具体断裂在键槽处。通过对该处键槽及泵轴断口宏观检查可知：键槽一端局部区域存在弧形损伤（挤压、磨损）痕迹；泵轴断口附近轴段与螺纹交界台阶处，没有圆弧过渡，同时可见残留加工刀痕；泵轴断口上有疲劳贝纹线存在，起裂源与最后断裂区及泵轴截面圆心不在同一条直线上。键槽一端的弧形损伤方向与泵轴转动时圆头平键转动的方向一致，初步判断键槽此处的弧形损伤应由圆头平键造成。泵轴上的螺纹与轴段交界处无圆弧过渡与附近存在的加工刀痕均会引起应力集中，并且容易引起微裂纹的产生。根据断口上的疲劳贝纹线形貌特征，以及起裂源与最后断裂区、泵轴截面圆心不在同一条直线上的特征，说明本次泵轴断裂应是偏心疲劳断裂。从成分分析结果可知：泵轴的化学成分分析结果与标称材料的牌号一致；圆头平键的化学成分分析结果与标称材料的牌号不一致。结合洛氏硬度试验结果可知，泵轴与圆头平键的硬度存在明显差异，泵轴的硬度低于圆头平键的硬度。从而进一步表明，泵轴使用的材料与圆头平键使用的材料不相同，与此同时，进一步说明键槽上弧形损伤是由圆头平键造成的。从泵轴的显微组织分析结果可知：泵轴的显微组织为回火索氏体组织，没有明显异常；泵轴外表面可见明显的镀层且镀层厚度较为均匀。结合能谱分析可知，泵轴表面主要是进行了镀铬处理，因此泵轴表面硬度高于基体硬度。从断口扫描电镜分析结果可知：起裂源附近可见泵轴表面存在加工残留痕迹，形成类似微裂纹的形貌特征；扩展区可见疲劳辉纹，进而从微观层面表明此次泵轴断裂为疲劳断裂；最后断裂区呈解理断裂形貌特征。综上所述，当给水泵工作时，在弯曲应力作用下，裂纹在泵轴上的螺纹与轴段之间的过渡区（应力集中区）产生并不断扩展。由于泵轴上的键槽和圆头平键之间的磨损导致泵轴在运行过程中为偏心运转，泵轴最终发生偏心疲劳断裂。4 结束语本次给水泵泵轴断裂虽未引起事故，但依然值得重视。引起本次给水泵泵轴断裂的主要因素与泵轴的加工精度有关，因此建议泵轴生产厂家在生产泵轴的过程中提高泵轴上过渡位置的加工精度，减少残留加工刀痕，避免形成应力集中。同时通过本次给水泵泵轴断裂问题的研究，还发现圆头平键的选材与标称材质不一致的问题，说明使用单位在管理方面存在瑕疵，因此建议使用部门加强技术管理。参考文献赵金玲，许红振，李伟，等.机械设计基础M.成都：电子科技大学出版社，2020:123-124.张栋，钟道培，陶春虎，等.失效分析 M.北京：国防工业出版社，2004:131-132.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.不锈钢棒：GB/T 12202007S.北京：中国标准出版社，2007：8.1 2 3张杰，等：给水泵泵轴断裂失效分析