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摘要：通过断口宏观及微观分析、化学成分分析、力学性能测试及金相检验等，对水泵轴断裂的原因进行了分析。结果表明：断裂泵轴存在魏氏组织、网状铁素体以及沿晶界分布的屈氏体等组织缺陷，材料的强度和韧性不足，使其在密封槽应力集中区产生裂纹；在交变应力的作用下，泵轴发生疲劳开裂；给水泵在运行时出现气蚀，也加速了泵轴的断裂。
关键词：泵轴；断裂；疲劳；带状偏析；魏氏组织；应力集中；交变应力
某燃机电厂402ＭＷ机组配有凝结水泵２台，一用一备，该机组于2008年5月投入运行，运行时间超过21000ｈ，该水泵泵轴材料为35CrMo钢。在2015年12月17日，１号凝结水泵轴突然发生断裂，断裂时机组运行正常。解体检查1号凝结水泵，泵轴断裂部位发生在末级叶轮与导叶轮交界的键槽处，如图１所示。笔者通过一系列的检验对泵轴断裂原因进行了分析，以期避免类似事故的再次发生。
图１凝结水泵轴断裂位置示意图
一、理化检验
（一）断口宏观形貌分析
凝结水泵轴断口为横截面断裂。整个断面呈灰褐色，无明显塑性变形，断口较平齐，具有脆性断裂特征。根据宏观形貌可以将断口分为裂纹源区、疲劳裂纹扩展区和瞬断区。断口上放射状条纹的收敛处为裂纹源，裂纹源位于键槽底部边缘，断面上可见明显的贝壳状疲劳弧线，为疲劳扩展区。瞬断区呈纤维状，为最终断裂部位。键槽底部有明显的加工刀痕，泵轴断口外缘部位因碰撞，存在较多的机械磨损区域。
（二）断口微观形貌分析
图３泵轴断面取样位置示意图
图4区域１处裂纹源的微观形貌
在泵轴疲劳裂纹源附近取样，观察其断口的微观形貌，取样位置如图３所示。对泵轴断面的区域1，２，３分别进行观察。图４为区域１处裂纹源区的微观形貌。从图４可以看出，泵轴裂纹源附近断口,光滑，为裂纹产生初期，由泵轴断面上、下侧长时间反复挤压所致。裂纹萌生阶段，裂纹扩展受到较大的阻碍，扩展十分缓慢，裂纹源上、下两侧的断口面在循环应力作用下频繁闭合和张开，对裂纹表面进行研磨，导致裂纹源附近表面非常光滑。
图５区域１处疲劳扩展区的微观形貌
区域１处疲劳扩展区的微观形貌如图５所示。由图５）可知，其微观形貌呈轮胎状花纹，该轮胎状花纹的出现可推断裂纹在该阶段扩展速率相对较快，断面相对粗糙；由图５b）可知，部分区域由于发生挤压，相对光滑，且挤压痕主要沿环向分布，未发生挤压的部分则相对粗糙。
泵轴断面区域２处的微观形貌如图６所示，区域３处的微观形貌与图６相似。由图５和图６可知，区域１,２，３处的疲劳扩展区裂纹，均为断面反复挤压形成的轮胎状花纹。
（三）金相检验
对区域３处的纵截面进行金相检验，其显微组织形貌如图７所示。由图７ａ）可知，其显微组织沿纵向具有方向性，呈明显的带状组织形貌，说明该泵轴的成分偏析较严重，而带状组织不能通过简单的热处理工艺消除，在泵轴成型后，未增加消除带状组织的热处理工艺，直接采用常规的淬火＋高温回火工艺，使带状组织遗留下来，进而影响到材料性能。由图７ｂ）可知，泵轴材料的显微组织主要是魏氏组织＋沿晶分布的少量铁素体＋珠光体。
图６区域２处疲劳扩展区的微观形貌
（四）力学性能测试
对凝结水泵轴取样，依据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第１部分：室温试验方法》和GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行力学性能测试，试验结果见表２。可见泵轴的抗拉强度和下屈服强度不符合GB/T－3077-2015的技术要求。材料的力学性能与材料的显微组织直接相关，联系上文金相分析结果可知由于热处理工艺不当导致带状偏析和魏氏组织未能消除，使得力学性能未达到设计要求，尤其是键槽底部边缘位置在机组频繁启停过程中更容易产生疲劳源，造成泵轴最终的失效。
图７区域３处的显微组织形貌
表２泵轴的力学性能测试结果
二、分析与讨论
疲劳断裂有着不同的原因、过程和结果，疲劳断裂应力远比静载下材料的抗拉强度低，甚至比屈服强度也低很多，且无论脆性材料还是塑性材料，都是在没有出现明显塑性变形的情况下突然断裂的，是一种低应力脆断破坏现象。工程构件对疲劳载荷的抗力比对静载荷的要敏感得多，其疲劳抗力不仅取决于材料本身特性，而且与其形状、尺寸、表面质量、服役条件及环境等密切相关。
（一）泵轴材料热处理工艺
从凝结水泵轴显微组织为魏氏组织＋沿晶分布的少量铁素体＋珠光体，可以推测工件终锻温度较高导致晶粒长大，锻后在一定冷却速度下，沿着一定晶面析出铁素体和珠光体，从而产生了魏氏组织；淬火时冷却速度较快或者轴直径较大使得内部未淬透时，铁素体沿着晶界呈粗大网状析出。在形成魏氏组织后，未采取合适的热处理工艺消除魏氏组织，最终泵轴材料的组织不符合标准要求。为保证泵轴良好的综合力学性能，要求原材料组织必须均匀细致。而泵轴成型后的显微组织呈现明显的带状偏析，说明泵轴成型后的组织均匀化热处理欠缺，或者未增加消除带状组织的热处理工艺，使得元素没有得到充分的扩散，导致材料的力学性能具有方向性，即平行于带状方向强度、韧性较高，而垂直于带状方向强度、韧性较低，泵轴力学性能呈现出各向异性（特别是径向和环向），影响泵轴的综合力学性能。不合格的力学性能是导致泵轴发生断裂的重要原因。
（二）泵轴键槽底部边缘应力集中
泵轴断裂发生在键槽底部表面，该位置截面尺寸变小，局部应力高于平均应力，使得有效应力集中系数增大。而且，键槽根部曲率半径太小或者加工刀痕明显，在长期运转过程中，受主轴扭转载荷作用，键槽根部会萌生裂纹源，当疲劳裂纹扩展至临界尺寸后发生失稳，最终引发泵轴疲劳断裂。
（三）凝结水泵运行工况
疲劳断裂是损伤积累的结果，是与时间相关的破坏方式。燃机机组具有启停快、负荷响应快等特点，目前在电网中以调峰运行方式为主，启停比较频繁。启停过程中凝结水泵轴受到交变应力作用，超过泵轴的损伤容限，会促进泵轴失效的发生。
参考文献
[1]崔永明.水泵的工作原理和常见故障分析[J].农机使用与维修,2018(08):73.
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