机泵轴承箱支座断裂失效分析

王军明，商显栋，李明超，张乃昕，申孝民，宋明大

(1.中国石化齐鲁分公司热电厂，山东 淄博 255400； 2.山东省特种设备检验研究院有限公司，山东 济南 250101；3.中国石油大学(华东)新能源学院，山东 青岛 266580)

某机泵轴承箱工作环境为高温高压介质，并且高速旋转，经受多种复杂、交变的作用力。叶轮是汽轮机转子中承受应力最大的零件之一，经常发生轴承箱断裂、漏油等事故[1-4]。产生巨大的安全隐患，严重影响机泵安全运行。

针对轴承箱振动、漏油、应力集中和铸造缺陷等问题，国内外学者进行了深入研究。闫楠[5]报道了内蒙古蒙泰不连沟煤业有限责任公司煤矸石热电厂2×300 MW循环流化床机组，自投运以来，1#、2#炉四台引风机均有不同程度的漏油现象。通过对引风机轴承箱漏油问题进行综合分析，彻底解决了引风机轴承箱频繁漏油问题。廖长城等[6]介绍了三门核电除盐水输送泵轴承箱漏油的原因及排查方向，并提出了相应的改进措施，可为类似泵的漏油缺陷处理或轴承箱设计提供参考。

1 失效概况

某橡胶厂丁二烯车间第一萃取精馏塔液泵(B207a)机封泄漏，引发起火事故。该机泵为2004年投入使用，使用过程中该泵所有零部件未更换。带动机泵电动机为2011年8月生产，型号为YBШ-280S-2W，额定功率75 kW，额定电流133 A，转速2 973 r/min。机泵依据API610第6版设计，选用OH2型中心线安装的单级悬臂式泵。机封机构形式为：单端面多弹簧+自冲洗，型号DTM65。机泵型号为：200AYⅡ-150D。输送介质为碳四/乙腈(注：乙腈占比90%，乙腈分子式为C2H3N，为无色液体，燃点为524 ℃)，介质温度75 ℃，额定流量252 m3/h，扬程90 m，入口设计压力0.5 MPa，出口设计压力1.2 MPa。B207a泵轴承箱材料为HT200，支座断裂部位周围接触介质为空气，同型号机泵整体拆解结构及轴承箱支座断裂部位如图1所示。

图1 断裂位置及形貌

对事故机泵部件进行拆解，发现轴承箱支座发生断裂，联轴器发生整体扭曲变形，如图2所示。为探究其开裂原因，在轴承箱支座开裂部位取样进行失效分析。

图2 泵轴与电动机联轴器

2 宏观检查

机泵拆解后，发现泵轴同电动机轴通过联轴器进行

连接，事故发生后联轴器整体扭曲变形，泵轴整体抽出后未见明显弯曲变形。机泵侧联轴器法兰面受力掰开，电动机侧联轴器法兰面同时受力掰开，但法兰面受力掰开方向与机泵侧相反。同时联轴器向电动机侧倾斜下沉，推断联轴器变形主要受力方向为电动机侧，如图3所示。电机负荷端轴头弯曲变形约20°，轴承内侧转子颜色呈蓝黑色，有明显过热痕迹。

图3 联轴器法兰

继续对轴承箱支座断裂处进行拆解，取出叶轮后，发现轴承箱支座4处变截面处发生断裂，4处固定螺栓孔位置全部断裂，拼接完整轴承箱支座断裂形貌如图4所示。

图4 断裂部位轴承箱支座拼接复原

对轴承箱支座取样进行分析，发现轴承箱支座固定法兰盘断裂成为8部分，4处位于变截面处，4处位于螺栓孔处，断口位置大体呈中心对称，未见明显塑性变形。为进一步取样分析，将支座断裂的8个部分逆时针依次编号为#1至#8，如图5所示。1#变截面及2#螺栓孔断口处存在收缩及气孔等原始铸造缺陷，见图6。

图6 铸造缺陷

图5 轴承箱支座8处断口

3 实验分析

3.1 断口分析

观察轴承箱支座断口宏观形貌，发现所有断口表面未附着较厚腐蚀产物，只存在一层浮锈，断口表面颜色均匀，未发现不同形貌断裂区域，断口表面粗糙，未见平滑部分，排除断口为疲劳断口的可能性。所有断口表面未见明显塑性变形，初步判断断口为脆性断口，如图7所示。

图7 轴承箱支座断口宏观形貌

对2#变截面处及4#螺栓孔处断口超声清洗去除油污后，应用缓蚀剂去除表面锈迹，进行扫描电镜检测，发现2#断口为解理形貌，4#断口为解理及准解理形貌。判断断口为脆性断口，如图8所示。

图8 轴承箱支座断口微观形貌

3.2 微观组织分析

依据GB/T7216—2009《灰铸铁金相》[7]对4#变截面断口横截面取样进行显微组织检测，发现轴承箱支座显微组织为片状和球状分布的珠光体基体+A型石墨，为正常灰铸铁组织，如图9所示。

图9 4#变截面断口横截面显微组织

3.3 断口能谱分析

对图7(d)所示试样断口腐蚀产物进行能谱分析，微观形貌见图10，能谱分析结果如表1所示。结果显示，腐蚀产物主要为铁的氧化物。

图10 温度随加热时间变化关系

表1 腐蚀产物能谱分析结果 %

图10 内表面处腐蚀产物形貌及测试位置

3.4 化学成分分析

轴承箱支座的设计材质为HT200，采用移动式光谱仪对取样支座断裂试样进行化学成分分析，判断其材料是否符合标准要求。化学成分分析结果见表2。据分析结果可知，轴承箱支座的化学成分符合GB/T 9439—2010《灰铸铁件》[8]中对HT200的要求。

表2 叶轮化学成分分析结果 %

4 开裂原因分析

(1)由宏观检查可知，轴承箱支座断裂部位均为螺栓孔及变截面应力集中部位，断裂位置大体呈中心对称，推断支座法兰盘断裂时受力较均匀。法兰盘变截面及螺栓孔在运行过程中受到振动载荷和轴不对中产生的扭矩力的影响。由电动机侧大轴负载端弯曲变形及联轴器损坏形态可知，联轴器变形主要受到电动机轴弯曲产生的扭矩力。联轴器受到较大扭矩力后会通过轴承箱及机封结构传递给轴承箱支座定位及变截面处。轴承箱支座在电动机轴弯曲转动时会受到较大的扭矩力冲击。

(2)断口处接触介质为大气，在一定条件下会在断口表面生成浮锈。宏观断口分析可知，断口表面粗糙，未见平滑部分，排除断口为疲劳断口的可能性。断口上均未发现较厚腐蚀产物，断面形貌一致，应为新产生或同一时间产生断口，排除支座发生应力腐蚀开裂的可能性。

(3)机泵轴承箱材料为HT200，为灰铸铁。由断口处显微组织分析可知，轴承箱支座显微组织为片状和球状分布的珠光体基体+A型石墨，为正常的灰铸铁组织[9]。铸铁材料碳含量较高，受外载荷冲击时容易发生脆断。支座变截面及螺栓孔处存在收缩及气孔铸造缺陷，会降低支座承载能力。由宏微观断口分析可知，轴承箱支座断裂部位无塑性变形，均为脆性断口[10]。综合分析判断轴承箱支座断裂为受较大外力冲击而产生的脆断。

5 结 论

机泵轴承箱支座断裂原因为：轴承箱支座法兰盘变截面及螺栓孔处瞬间承受电动机侧机轴弯曲产生的较大扭矩力，导致支座灰铸铁材料受到冲击而发生脆断。机泵等动设备定期检修过程中应加强对该部件的检查。