某进口型汽轮机主油泵驱动轴断裂分析研究

赵广勋+瞿丽莉+张小锋

摘 要：某进口型汽轮机主油泵驱动轴发生断裂事故，从机组历史数据查起，经主油泵外观检查，解体检查，历史检修情况检查等步骤，分析认为引起机组跳闸原因为主油泵故障使出口油压下降，造成安全油压失去，机组跳闸；主油泵故障原因为主油泵驱动轴断裂；断裂原因为驱动轴断口部位无加工倒角，断裂部位发生在轴端和法兰R角处，在高速转动中容易产生较大的应力集中，成为薄弱部位，经过长期运行后材质疲劳出现裂纹，最终裂纹扩大造成断裂；针对此给出了整改建议。

关键词：汽轮机；主油泵；断裂；分析；建议

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.051

0 前言

对整个汽轮机系统而言，汽轮机的主油泵是其主要组成部分，其主油泵的轴承一端由传动，让另一端转动。其轴承在汽轮机主油泵上主要功能：第一是能够提供给轴承一定的润滑；第二为让轴承能有时间进行冷却；第三发电机能够得到其密封用油；汽轮机主油泵的轴承出现失常的主要类型有腐蚀、漏脂、剥落和断裂[1]，其中断裂对机组影响较大，所以专门研究断裂原因并针对原因采取预防方案很有必要。

1 系统及事件简介

某电厂配有国外进口的汽轮机，主油泵驱动装置由两根泵轴构成：空心轴（传动轴）与实心轴（驱动轴），材质为25Gr2MoV。实心轴一端与汽轮机转子用齿形联轴器连接，另一端与空心轴采用紧力配合，且与调速齿轮用4个销子，4个螺栓连接。空心轴上装有主油泵叶轮，且空心轴与主油泵推力盘为一体加工制作，调速齿轮套装在主油泵空心轴上，与空心轴采用紧力配合，并装有止动销。

事件发生前，机组负荷63.8MW，主蒸汽流量308t/h，工业抽汽流量75t/h，无任何操作，随后机组跳闸，首出原因为：“发电机主保护动作”。机组停机后从历史数据查看判断为主油泵故障导致油压低汽机跳闸，随后对主油泵进行了外观和解体检查。

2 历史数据检查

查阅汽机转速、挂闸油压等历史曲线，机组跳闸前1秒汽机转速下降至1046r/min，安全油压降低至1.03MPa，机组一次调频动作，查阅事故追忆记录，“挂闸油压失去”、“主汽门关闭信号”分别于事件前1s、事件发生时发出，事件发生时ETS系统首出“发电机主保护动作”机组跳闸，分析为“汽轮机安全油压丧失”条件满足，保护动作，联跳发电机（汽轮机联跳发电机大联锁逻辑为：“汽机主汽门关闭”或“挂闸油压失去”联跳发电机）。

3 主油泵外观检查

汽机投入盘车后，揭开前箱测速装置处上盖，发现测速齿轮无转动，手动旋转测速齿轮能自由转动；测速齿轮压盖及紧固螺栓紧固完好，无断裂、脱开现象，前箱内无异物。

揭开主油泵联轴器处上盖，检查主油泵驱动轴与汽轮机转子联轴器螺栓无松脱、断裂，外露驱动轴跟随汽轮机转子一同转动，根据现象初步判断为油泵叶轮、测速装置与油泵驱动轴脱开。

4 主油泵解体检查

（1）解体主油泵后检查发现，主油泵轴在一侧发生断裂，断成轴、轴头和法兰三件，见图1；

（2）主油泵驱动轴为整体加工，驱动受力端中空并有连接法兰盘，断裂处在驱动盘根部，断口处结构见图2，断口1和断口2见图3和图4，三件断裂样品的断面均不平整，为老旧疲劳断面；

（3）断裂部位发生在轴端和法兰R角处，R角处无明显倒角，见图3和图4；

（4）轴、轴头和法兰三件断裂样经便捷式定量光谱检测，成分基本相同[2，3]，铬（Cr）含量1.65-1.97%，锰（Mn）含量0.46-0.51%，钼（Mo）含量0.28-0.30%，钒（V）含量0.14-0.22%。

5 以往检修情况检查

最近一次检修为3年前，设置检修项目为“主油泵轴向推力间隙调整，主油泵联轴器找中心”。未设置金属监督检查及验收项目，文件包中也未对主油泵传动轴套、驱动轴各部套的检修工艺标准作出明确要求。

6 原因分析

（1）主油泵轴断面三件，断面不平整，均为老旧疲劳断面，时间先后顺序无法判断。主油泵驱动轴驱动力矩主要靠断口1处环形母材传输，检查断口1、2部位均无加工倒角，断裂部位发生在轴端和法兰R角处，在高速转动中容易产生较大的应力集中[4，5]，成为薄弱部位，经过长期运行后材质疲劳出现裂纹，最终裂纹扩大造成断裂。

（2）机组大小修时，虽曾进行过检查，但因传动轴与驱动轴为两层套装結构，宏观检查无法检查到断裂部位，而驱动轴受结构影响仅能进行常规检测，也未能发现潜在裂纹、损伤等缺陷。

（3）分析事件经过为：断口1处由裂纹发展至断裂，主油泵失去驱动力，而驱动轴仍在汽轮机大轴带动下高速运转，传动轴与驱动轴在断口处无配合间隙，所以尚传输一定力矩，在此状况下断口2处瞬间承受巨大传动力矩，造成驱动轴端部再次断裂。

7 建议

针对主油泵驱动轴结构设计不合理，存在应力集中区，并且力矩传递处结构较为薄弱的问题，建议确定驱动轴材质及处理工艺，按照实际测绘尺寸重新加工驱动轴，修改完善断裂部位应力集中区设计（断口1处将原空心孔加工为实心轴，断口2处由直角切削调整为圆角过度，详见附图剖面线区域）。驱动轴加工完成无损检测合格后，参照原装配工艺装配主油泵转子，装配完成后做动平衡，检测合格后严格按工艺标准复装主油泵。

针对主油泵驱动轴断裂部位处于R角处，机组检修时未能对R角内部进行检测，仅进行了宏观表面检查，未能发现潜在裂纹、损伤等缺陷的问题。以后机组检修时，采取有效措施加强对主油泵转轴及联轴器等部位的检查（增加转轴无损金属检测项目）。

参考文献：

[1]芦东明.汽轮机主油泵轴承断裂分析及预防措施[J].电力通用机械，2014，28（06）：76-77+82.

[2]胡世炎.破断故障金相分析[M].北京：国防工业出版社，1979：280-282.

[3]万嘉礼.机电工程金属材料手册[M].上海：上海科学技术出版社，1990：506-507.

[4]何成.汽轮机主油泵轴断裂分析[J].理化检验-物理分册，2005，41（12）：636-638.

[5]沙菲.泵轴断裂失效分析[J].金属热处理，2015，40（增刊）：342-344.

作者简介：赵广勋（1966-），男，陕西扶风人，工学学士，高级工程师，主要研究方向：大型火电机组热工控制系统及生产管理研究。endprint