某干船坞主排水泵导流体法兰断裂原因分析及修复

张拥军，李国祥

(1.上海华润大东船务工程有限公司,上海 202156;2.上海海事大学 商船学院,上海 201306)

大型船坞一般采用轴流排水泵作为主排水泵。这类泵运行时流量大、扬程低。由轴流泵的特性可知：这类泵的比转数在500～1 000之间；叶轮出口与进口的直径比约为1，叶片外形扭曲。H-Q曲线特点是封闭扬程为设计工况的2倍，扬程曲线呈马鞍形且变化较急。P-Q曲线特点是封闭功率最大，设计工况附件曲线呈驼峰形，流量再增加功率又下降。η-Q曲线的特点是急剧上升后又急剧下降[1]。故此，对泵在运行、维护保养方面要严格按照要求执行。

1 干船坞1号主排水泵的损坏情况

某船务公司的船坞共有2台轴流排水泵，型号为1800HL—11S，流量11 m3/s。该泵主要由马达、导轴、叶轮、泵体、导流体和密封装置等组成，配备的电动马达质量约20 t，最大构件质量约8.5 t，泵体总质量22 t[2]。

该公司的干船坞1号主排水泵，因生产任务紧、长期运行而得不到及时检修和维护保养，待故障发生时已无法继续工作。经停泵、现场检查后发现：该排水泵下法兰紧固螺丝松动，部分螺丝脱落，法兰中间垫块松动，其中有几块垫块已经脱落丢失；导流体下支撑法兰断去约1/2；检查泵中间赛龙轴承(下轴承)间隙，发现间隙增大、赛龙磨损量增大。

2 导流体断裂原因分析

金属构件在应力作用下分离为互不相连的2个或2个以上部分，断裂处暴露出的自然表面(即裂纹扫过的面积)称为断口。断口是对断裂过程有关信息的直接记录，也是判别部件失效原因的有力证据。断口分析是研究金属断裂面的学科，是断裂学科的组成部分。金属材料的断裂过程一般分成3个阶段，即裂纹萌生阶段、裂纹亚稳扩展和失稳扩展阶段、断裂阶段。对于金属材料的断口分析，可以从断口的宏观和微观入手，但由于本导流体部件直径达3 m、部件质量达十几吨，对导流体断口不方便做扫描电子显微镜(SEM)等的微观分析，故本文以金属断口学理论作指导，着重对导流体断口从宏观的角度进行分析。

断口的宏观分析是断裂失效分析的基础。通过宏观分析，直接确定断裂的宏观表现及其性质，以及断裂源区的位置、数量及裂纹扩展方向等。宏观断口分析的优点是能便捷、迅速地观察破断全貌，裂缝(断口)与部件形成的关系，断口与变形方向的关系，断口与受力状态(主应力或切应力)的关系。金属断口宏观分析的依据主要有：断口颜色、花纹、粗糙程度、边缘情况、位置等。

图1(a)、(b)分别为导流体、法兰断口局部放大图，从图1(a)和(b)中可以看出断口可以分成A、B、C 3个区域。A区断口老旧且已氧化，故为最先断裂区，亦为疲劳源区；B区断口崭新光亮，为选择扩展区；C区断口也呈新鲜状态，但与B区有所区别，为瞬时断裂区。

图1 导流体、法兰断口局部放大图

从图1(a)、(b)导流体、法兰断裂宏观情况，可以看出如下问题。

1)导流体断裂部位发生在下支撑法兰，且断口A区的裂纹源为宏观裂纹源，肉眼清晰可见(在0.1～10.0 mm之间)；导流体工作温度接近船坞排水温度，全年通常在0～37 ℃之间，即工作温度较低；断口B区平齐、光亮，且与导流体的正应力垂直。故从断裂变形程度看，导流体下支撑法兰断裂属于低温脆性断裂。

2)导流体下支撑法兰断裂部分约占总下支撑法兰的1/2，且断裂面细长连续、延续时间短(细长区域几乎同时发生断裂)、断裂面宏观上非常平整、裂纹无分叉。说明该断裂从裂纹机制角度看属于剪切断裂。

3)下法兰紧固螺丝松动，法兰之间的垫块脱落。说明泵运行中曾经有长时间较强的震动，说明该断裂是由突发的高强度外力冲击引起。故该断裂从受力状态角度看又属于冲击断裂[3-5]。

4)泵赛龙套(下轴承)磨损严重，说明泵的运转不平衡。其原因可能是：轴承间隙过大，叶轮动平衡不良、泵轴的同轴度偏差过大、甚至泵轴有弯曲[6]。

经实地勘察，结合上述4点分析，认为部件损坏原因是：该干船坞1号主排水泵因长期运行缺乏检查保养，致中间赛龙轴承(下轴承)磨损量逐渐增加、间隙增大，导致泵叶轮碰到导流体下方壳体。随着时间的推移，这种碰擦又使泵体振动增强，长时间的泵体振动又促使下法兰螺丝松动脱落。螺丝松动脱落后使法兰间的调整垫块脱落，整个法兰因失去力平衡，在重力(光导流体和支撑法兰质量就超过2 t)和振动双重作用下产生的巨大作用力将导流体下支撑法兰直接折断。

3 导流体断裂部位的修复

针对损坏情况，首先应修复导流体本体及断裂的法兰。传统的方法是先将裂缝处打磨平整，将原法兰与破损导流体用堆焊的方法连接起来。但经实践，由于导流体最初是采用铸造工艺建造，其材料为铸铁，采用铸铁电焊条堆焊焊接的结果很不理想，无法成功连接。无奈之下只好采用钢片拼接螺栓固定的方法，即将裂缝处打磨平整后，在老法兰处覆上以普通碳钢为材质的圆弧段法兰片并钻上相应法兰螺孔，圆弧段法兰片与老法兰一起被螺栓固定，再在导流体本体上覆上数块连接片(钻孔并用螺栓固定在导流体上)，将连接片与圆弧段经加强肋片电焊连接，其余缝隙部位用铁水泥封堵(如图2)。

图2 导流体的修复过程

对于主轴中间赛龙轴承(下轴承)磨损的问题，理想的做法是更换赛龙轴套。但这样做需要将整台水泵吊送到车间，由于该泵最大起吊高度达12.5 m，泵体总质量22 t，电机质量为20 t，作业相对比较困难。同时由于公司生产任务紧，时间上不允许再拖延，故赛龙套需另找合适时间再检查和更换，一旦赛龙换新叶轮和叶轮外壳的间隙须重新调整至标准值。

最后对整个泵体的动平衡和对中做现场检验和调整。对主轴进行对中校验，导流体修复后叶轮与叶轮外壳的间隙为0.30～0.50 mm(标准值为0.15～0.35 mm)，虽然略超过标准值，但实际运行后发现，对泵的总体流量影响不是很大。

4 结束语

通过对某干船坞1号主排水泵现场检查，根据断裂部件的实际情况，分析导流体法兰的断裂属性和原因，针对断裂原因利用钢片拼接螺栓固定方法成功加以修复。虽然最后因生产任务原因，未对泵主轴中间赛龙套(下轴承)进行更换，但修复后的泵已能满足实际使用要求。此泵的故障和修复实例，为我们以后对此类泵的运行维护及维修保养提供了宝贵经验，对于类似的大型泵维护保养工程也具有一定的借鉴意义。