离心泵泵轴断裂分析

离心泵泵轴断裂分析

莫钟权

（大庆石化公司   黑龙江省大庆市163711）

摘要：此轧钢厂生产线主要以生产工业优特钢为主，配套循环水系统主要用于冷却轧辊、油箱、热交换器及高压水除磷等，循环水泵是整个水循环系统的核心动力输出设备，也是水系统生产工艺调节各液位实现动态平衡的重要组成部分，目前循环泵房配备了15台S型单级双吸离心泵，循环水系统的平稳运行与主线设备能否保持安全稳定生产有着密切的关系，而其中的循环水泵更是起到了至关重要的作用。本文主要介绍某钢铁公司循环水泵在生产中出现断轴的问题，尤其是对轧钢厂某条生产线低压浊环水泵在运行中突发泵轴断裂的现象，通过对下线转子进行解体检查及研究泵组运行模式和水泵启停与阀门开关的操作顺序进行原因分析，并有针对性的提出防范及优化措施。

关键词紧密联接、剪应力、 断轴

1 设备运行概况

随着此轧线投产，同时配套循环水系统中的S型单级双吸泵开始投用，前两年运行很稳定，故障率较低，完全可以满足生产的需要。自2016年起开始出现较为频繁的断轴情况，极端情况时新上线转子使用时间少于300小时，水泵转子年下线台数增至多台，超出了设备标准更新频率，同时对生产的稳定运行造成了一定的隐患，因此深度剖析原因，尽快解决断轴问题势在必行。

2 S型泵结构组成、特点及工作原理

2.1结构组成

S型泵全称为单级双吸水平中开式离心泵，主要由泵体、泵盖、轴、叶轮、密封环、轴套、轴承部件和填料函组成。轴的材质为优质碳素结构钢，其它零部件的材质基本上采用铸铁。

2.2结构特点

（1）结构紧凑，外形美观，稳定性好，便于安装。

（2）运行平稳，优化设计的双吸叶轮使轴向力减小到最低限度，且有优异水力性能的叶型，并经精密铸造，泵壳内表面及叶轮表面极其光滑具有显著的抗汽蚀性能和高效率。

2.3工作原理

水泵在启动前，必须使泵壳和吸水管内充满水，使内部形成真空状态，然后启动电动机，使泵轴带动叶轮和水做高速旋转运动，水发生离心运动，被甩向叶轮外缘，经蜗形泵壳的流道流入水泵的输出管路，实现液体的持续输出。

3 运行模式

3.1特大棒低压浊环泵组由3台S型泵并联分布，型号为GS300-9/4，单台额定流量为600m3/h，正常生产模式采用两用一备，并联泵组中的每台泵的管路设计都由1个进口手动蝶阀、1个进口柔性接头、1个出口柔性接头、1个出口多功能控制阀、1个出口手动蝶阀组成。

3.2正常运行时进出口手动蝶阀保持常开状态，启泵时多功能水泵控制阀缓慢打开，防止电机启动时瞬间电流过大造成跳闸，停泵后多功能控制阀缓慢关闭起到止回作用，防止产生水锤效应及水泵倒转现象。

3.3由于轧线产品种类多，为配合市场需求要经常更换轧辊来调整轧制规格，每次更换轧辊都要短时间停用浊环水。

4 原因分析

4.1从断轴下线的几台转子拆解后的断面分析看，断裂位置全部在轴Φ60与Φ61加工台阶处，都存在断裂面与轴垂直，断口处无明显的塑性变形，属于脆性断裂。宏观观察断口有明显的局部剪应力过大而形成的扭断痕迹；固定叶轮的平键松动，有明显的挤压伤痕迹；键槽侧面呈现光亮的冲击面，并产生变形。固定键体起到力的传导和周向定位作用，过大的转矩造成键体受力变形。

4.2受力叶轮口环位置无明显偏磨痕迹，说明轴向跳动是在正常范围内；叶轮无跑偏，径向窜动不存在；两侧轴承无位移、无磨损，说明振动值在正常范围内。泵轴材质使用45钢， 断面直径60mm；叶轮材质为HT250，直径430mm，键宽18mm厚11mm长165mm符合设计标准。

4.3断裂位置全部处于泵轴与叶轮的结合处(见图2），并且都处于转子的驱动动力输入端（近电机端），该部位是加工台阶处，是泵轴实际工作中应力集中和变化最严重的位置。GS300-9/4离心泵叶轮设计泵轴与叶轮为间隙配合，并且叶轮轮毂中间部分设计成空腔，这是为了改善叶轮铸造的工艺性和安装的方便，但在一定程度上削弱了叶轮轮毂对泵轴的约束而产生的强化作用，此时泵轴中部就成为了最薄弱的区域，泵轴断裂就有可能在此处发生，如果配合达到要求的小间隙或没有间隙，泵轴中部被叶轮紧紧包裹住，起到增加泵轴强度和刚度的作用，泵轴的薄弱点就不在泵轴与叶轮配合的中间部位，也就不容易在加工台阶处断裂。

4.4在观察中发现，停泵后转子经常会出现倒转现象，如果只启动一台，另外一台的倒转现象更明显，目视观察转速还是较快的，电机输出端标准转速为1480r/min，那么当电机启动后将会突然间给正在倒转的转子一个反向的扭力，长期以往泵轴薄弱区域表面承受的最大剪应力超过泵轴材质的力学性能而发生断裂失效。

4.5我们对管路的止回机构（多功能水泵控制阀以下简称控制阀）进行拆解，目前常用的有隔膜式和活塞式两种，属于水力阀，原理是管道液体通过阀门的导流管中的压差来带动隔膜或活塞动作，实现阀杆及阀板的升降，可以通过调整导流管上的阀门来控制阀板的升降速度。活塞式控制阀拆解后发现压力缸内壁有结垢情况，活塞卡死，无法动作；隔膜式控制阀阀板橡胶密封断裂，无法完全闭合，两种控制阀都起不到很好的止回作用。

5 结论

5.1泵轴断裂是由泵轴在应力集中区域过大的剪切力造成金属疲劳的脆性断裂以及泵轴的键及键槽未采用紧密联接的配合方式，在启停泵、运行过程中，受到冲击应力、扭转应力、剪切力的作用而发生扭断。

5.2该型水泵多功能控制阀性能不稳定，止回效果差，水泵倒转时启动，因泵轴在交变应力作用下也会造成泵轴断裂。

6措施与建议

6.1泵轴通过键与叶轮配合时必须采用紧密联接方式。

6.2减少启停泵频率能降低冲击应力。备用泵要定期倒换使用，这样能防止活塞式水泵控制阀的压力缸结垢而导致活塞无法复位，影响止回效果。

6.3水泵转子的修复必须严格按照标准装配，防止轴套部位产生间隙，完毕后保证盘车灵活。

6.4制造商设计时可在阶梯轴台阶处加工圆弧过渡倒角，以降低应力集中。

参考文献

[1]湖南长沙天鹅工业泵股份有限公司.GS300-9/4-000装配图.2011.3.16.

[2] 龚志钰，李章政 ． 材料力学[M] ．科学出版社，2005.

作者简介：莫钟权，男，1981年6月21日 汉族 黑龙江省大庆市在大庆石化公司乙烯一部裂解车间从事中控室内操工作 联系地址：大庆石化公司乙烯一部裂解车间 邮编：163711