循环水泵轴断裂原因分析
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１）计算 工作应 力 ：
／＇ｔ＇ｔ＝ ９．５４９Ｎ ／ｎ ＝ ９．５４９ Ｘ ３９１ × １０３／９７０ ＝ ３８４９．１Ｎ ·ｍ
丁 ＝ｍ／ ＝３８４９．１／［／／／１６ Ｘ ｄ。］＝１６× ３８４９．１／［３．１４×８５×８５×８５ ｘ １０－９］＝３１．９ＭＰａ
２）确定 Ｔ一 及 各影响 系数 ： 由泵轴材 质 的抗 拉强度 ，确定剪 切疲 劳极 限 ：
＝０．７１
一
由泵 轴 的 表 面 加 工 方 式 及 泵 轴 材 质 的 抗 拉 强 度 ，查 表可 得影 响构 件疲 劳极 限的表 面质量 系数 ：
＝ ０．９１
３）校 核断裂 截 面疲劳 强度 ／７， ＝ 一 ｌ／［ ］＝０．７１ Ｘ０．９１×１２１．９／［１ ×３１．９］＝２．４５＞［ｎ］＝１．７ 因此 在 单 纯 的交 变 应力 作 用下 ，理 论 上离 心泵 轴不 会发 生疲 劳断裂 。 ２．３ 疲劳 断 裂原 因分析 由 ２．１计算 可知 离心泵 轴发 生疲 劳失 效并 不是 单 纯 的交 变应 力作用 下 的结果 。从 断裂 离心 泵轴 的 表 面 ，可 以看 到泵 轴 表 面 附 着一 层 “锈 皮 ”，除 去这 些锈 皮后 ，发 现泵 轴 局 部 出现 点 蚀 坑 。在 交 变应 力 及 腐蚀 环境 的共 同作用 下 ，泵轴 发 生 了腐 蚀疲 劳 。 １）腐 蚀疲 劳特 征 ：腐蚀 疲 劳在 任 何 腐 蚀 环 境 中 都 可 以发生 ，往往 交变应 力低 于材料 的疲 劳极 限 ，它 与 介质 的 ＰＨ值 、氧含量温 度及 变 动 负荷 的性质 、交 变 应力 的 幅度 和频率 都 有关 系。 一般 随着 ＰＨ值 减 小 ，含 氧量增高 、温度上升腐蚀 疲 劳的寿命 就越低 ，同 时 大幅度 、低频率 的交 变应力更容易加快 腐蚀疲劳 。 ２）腐蚀环境的形成及腐蚀机理 ： 由断裂 泵轴 与轴承箱 托架 的结 构 ，如图 ２所 示 ， 可 以看 出断 裂轴 的工作 环境是 由轴 承托 架及 弧形挡 水 板形 成 的一个相 对 密闭 的空 间 。
２ 断裂原因分析
２．１ 断 口宏观 特征分 析 断 裂泵轴 断 口 ，如 图 １所 示 ，呈 现两个 截面不 同
的 区域 ，一个是 粗糙 区 ，一 个 是 光 滑 区 ，泵 轴 没有 明 显 的塑 性变形 ，离 心泵 轴 断 口宏 观 呈 现疲 劳 断裂 形 态 。光 滑 区是 泵轴 在 一定 交 变 载荷 作 用 下 ，构件 中 薄弱处 或较 薄弱 的 晶体 ，沿 最 大剪 应 力 方 向形成 的 滑移带 ，滑移 带开裂形 成 微观裂纹 ，随着 循环 次数 的 增加 ，分 散 的微 观 裂 纹 经 过 汇 聚 沟 通 ，形 成 宏 观 裂 纹。宏观裂纹在持续交变力作用下不断扩展 ，构件 的截 面逐步 被削 弱 ，这 样 就 由裂纹 扩 展 形成 断 口的 光滑 区 。当裂纹 扩展 达 到 临界 尺 寸 时 ，材料 会 突然 发生脆 性 断裂 ，从 而形成 断 口的粗糙 区 。 ２．２ 疲劳 强度校核
摘 要 ：通过分析循环水泵 轴断 １：３的宏观特征 ，校 核 了在单纯 剪切交变 应力作用 下泵轴并不会发 生疲劳断 裂 ，从 而 揭示 了腐蚀环境对疲劳裂纹的重大影响 ，并提出了预防措施。 关键 词 ：宏观特征 ；交变应力 ；疲劳断裂 ；腐蚀环境 ；措施 中 图 分 类 号 ：ＴＥ９６４．０７
丁一， Ｏ．２３￣ｒｂ＝０．２３ Ｘ ５３０＝１２１．９ ＭＰａ
断裂 截 面处 无尺 寸 变化 ，由尺 寸 变化 引 起 的应
第 ８期
魏 立翠 等 ：循 环水 泵轴断 裂原 因分 析
５９
力集中可以忽略，即有效应力集中系数 ：
疋 ＝ｌ
由泵 轴 直 径及 泵轴 材 质 的抗 拉 强 度 ，查 表 可 得 影 响构 件疲 劳极 限 的尺寸效 应 系数 ：
１ 概述
兰州石 化公 司石 油化 工 厂 ３０６Ａ循 环水 装 置 内 有Байду номын сангаас５台 型号 为 ５００Ｓ一５９的单级 双 吸水 平 中开 式循 环水泵 ，其具体参数见表 ｌ。
表 １ 循环 水泵具体参数
２００９年 ５月该 装 置 的 ２ 循 环 水 泵 在运 行 过 程 中 ，负荷 端轴承 箱与填 料压 盖间泵 轴突然 发生断 裂 ， 由于未能及时停下 电动机 ，断裂截面发生相互碰撞 产 生 的冲击力 ，致使轴 承箱托 架根 部产生 裂纹 ，整 体 铸 造 的下泵壳报 废 。
离心泵轴材质为 ３５ 钢 ，其机械性能见表 ２。 忽略 离心泵 转子组 件 自身 的重 力及转 子不平 衡 产 生的离心力 ，离心泵轴主要承受旋转过程中扭转
图 １ 断 裂 泵轴 断 口 １．断裂截面光滑 区，２．断裂截面粗糙 区．
表 ２ ３５ 钢 机 械 性 能
产生 的剪切 力 。剪 切力 的大 小随 电机转速 呈周期 性 变化 ，由此产 生 的交 变应力 也随转速 呈周 期性 变化 ， 且最 大交 变 力 与最 小 交 变 力 大 小 相 等 ，方 向相 反 。 即应 力特征 ：
ｒ ｍ｜ｎ／（ｒ ａ ＝ 一 １
说 明泵轴 承 受 的交 变应 力为 对称 循 环 型 ，在 对 称循 环交变 应力下 校核泵轴 断裂截 面 的疲 劳强 度 。
已知：泵 轴转 速 ｎ＝９７０ｒ／ｍｉｎ，轴 功 率 Ｎ ： ３９１ｋＷ ，泵轴 断裂截 面直径 ｄ＝８５．０ｍｍ，泵轴 抗拉强 度 ＝５３０ＭＰａ，取泵轴安全系数为［忍］＝１．７。
第 ２９卷 第 ８期 ２０１３年 ４月
Ｇａｎｓｕ Ｓｃｉｅ甘ｎｃ肃ｅ ａ科ｎｄ技 Ｔ ｅｅｈｎｏｌ
．２９ Ⅳ０．８
Ａｐｒ． ２０１３
循 环 水 泵轴 断裂 原 因分析
魏 立 翠 ，郝 文旭
（１．二十一冶金属结构分公 司，甘肃 兰州 ７３００６０；２．兰州石化公司石油化 工厂 ，甘肃 兰州 ７３００６０）
／＇ｔ＇ｔ＝ ９．５４９Ｎ ／ｎ ＝ ９．５４９ Ｘ ３９１ × １０３／９７０ ＝ ３８４９．１Ｎ ·ｍ
丁 ＝ｍ／ ＝３８４９．１／［／／／１６ Ｘ ｄ。］＝１６× ３８４９．１／［３．１４×８５×８５×８５ ｘ １０－９］＝３１．９ＭＰａ
２）确定 Ｔ一 及 各影响 系数 ： 由泵轴材 质 的抗 拉强度 ，确定剪 切疲 劳极 限 ：
＝０．７１
一
由泵 轴 的 表 面 加 工 方 式 及 泵 轴 材 质 的 抗 拉 强 度 ，查 表可 得影 响构 件疲 劳极 限的表 面质量 系数 ：
＝ ０．９１
３）校 核断裂 截 面疲劳 强度 ／７， ＝ 一 ｌ／［ ］＝０．７１ Ｘ０．９１×１２１．９／［１ ×３１．９］＝２．４５＞［ｎ］＝１．７ 因此 在 单 纯 的交 变 应力 作 用下 ，理 论 上离 心泵 轴不 会发 生疲 劳断裂 。 ２．３ 疲劳 断 裂原 因分析 由 ２．１计算 可知 离心泵 轴发 生疲 劳失 效并 不是 单 纯 的交 变应 力作用 下 的结果 。从 断裂 离心 泵轴 的 表 面 ，可 以看 到泵 轴 表 面 附 着一 层 “锈 皮 ”，除 去这 些锈 皮后 ，发 现泵 轴 局 部 出现 点 蚀 坑 。在 交 变应 力 及 腐蚀 环境 的共 同作用 下 ，泵轴 发 生 了腐 蚀疲 劳 。 １）腐 蚀疲 劳特 征 ：腐蚀 疲 劳在 任 何 腐 蚀 环 境 中 都 可 以发生 ，往往 交变应 力低 于材料 的疲 劳极 限 ，它 与 介质 的 ＰＨ值 、氧含量温 度及 变 动 负荷 的性质 、交 变 应力 的 幅度 和频率 都 有关 系。 一般 随着 ＰＨ值 减 小 ，含 氧量增高 、温度上升腐蚀 疲 劳的寿命 就越低 ，同 时 大幅度 、低频率 的交 变应力更容易加快 腐蚀疲劳 。 ２）腐蚀环境的形成及腐蚀机理 ： 由断裂 泵轴 与轴承箱 托架 的结 构 ，如图 ２所 示 ， 可 以看 出断 裂轴 的工作 环境是 由轴 承托 架及 弧形挡 水 板形 成 的一个相 对 密闭 的空 间 。
２ 断裂原因分析
２．１ 断 口宏观 特征分 析 断 裂泵轴 断 口 ，如 图 １所 示 ，呈 现两个 截面不 同
的 区域 ，一个是 粗糙 区 ，一 个 是 光 滑 区 ，泵 轴 没有 明 显 的塑 性变形 ，离 心泵 轴 断 口宏 观 呈 现疲 劳 断裂 形 态 。光 滑 区是 泵轴 在 一定 交 变 载荷 作 用 下 ，构件 中 薄弱处 或较 薄弱 的 晶体 ，沿 最 大剪 应 力 方 向形成 的 滑移带 ，滑移 带开裂形 成 微观裂纹 ，随着 循环 次数 的 增加 ，分 散 的微 观 裂 纹 经 过 汇 聚 沟 通 ，形 成 宏 观 裂 纹。宏观裂纹在持续交变力作用下不断扩展 ，构件 的截 面逐步 被削 弱 ，这 样 就 由裂纹 扩 展 形成 断 口的 光滑 区 。当裂纹 扩展 达 到 临界 尺 寸 时 ，材料 会 突然 发生脆 性 断裂 ，从 而形成 断 口的粗糙 区 。 ２．２ 疲劳 强度校核
摘 要 ：通过分析循环水泵 轴断 １：３的宏观特征 ，校 核 了在单纯 剪切交变 应力作用 下泵轴并不会发 生疲劳断 裂 ，从 而 揭示 了腐蚀环境对疲劳裂纹的重大影响 ，并提出了预防措施。 关键 词 ：宏观特征 ；交变应力 ；疲劳断裂 ；腐蚀环境 ；措施 中 图 分 类 号 ：ＴＥ９６４．０７
丁一， Ｏ．２３￣ｒｂ＝０．２３ Ｘ ５３０＝１２１．９ ＭＰａ
断裂 截 面处 无尺 寸 变化 ，由尺 寸 变化 引 起 的应
第 ８期
魏 立翠 等 ：循 环水 泵轴断 裂原 因分 析
５９
力集中可以忽略，即有效应力集中系数 ：
疋 ＝ｌ
由泵 轴 直 径及 泵轴 材 质 的抗 拉 强 度 ，查 表 可 得 影 响构 件疲 劳极 限 的尺寸效 应 系数 ：
１ 概述
兰州石 化公 司石 油化 工 厂 ３０６Ａ循 环水 装 置 内 有Байду номын сангаас５台 型号 为 ５００Ｓ一５９的单级 双 吸水 平 中开 式循 环水泵 ，其具体参数见表 ｌ。
表 １ 循环 水泵具体参数
２００９年 ５月该 装 置 的 ２ 循 环 水 泵 在运 行 过 程 中 ，负荷 端轴承 箱与填 料压 盖间泵 轴突然 发生断 裂 ， 由于未能及时停下 电动机 ，断裂截面发生相互碰撞 产 生 的冲击力 ，致使轴 承箱托 架根 部产生 裂纹 ，整 体 铸 造 的下泵壳报 废 。
离心泵轴材质为 ３５ 钢 ，其机械性能见表 ２。 忽略 离心泵 转子组 件 自身 的重 力及转 子不平 衡 产 生的离心力 ，离心泵轴主要承受旋转过程中扭转
图 １ 断 裂 泵轴 断 口 １．断裂截面光滑 区，２．断裂截面粗糙 区．
表 ２ ３５ 钢 机 械 性 能
产生 的剪切 力 。剪 切力 的大 小随 电机转速 呈周期 性 变化 ，由此产 生 的交 变应力 也随转速 呈周 期性 变化 ， 且最 大交 变 力 与最 小 交 变 力 大 小 相 等 ，方 向相 反 。 即应 力特征 ：
ｒ ｍ｜ｎ／（ｒ ａ ＝ 一 １
说 明泵轴 承 受 的交 变应 力为 对称 循 环 型 ，在 对 称循 环交变 应力下 校核泵轴 断裂截 面 的疲 劳强 度 。
已知：泵 轴转 速 ｎ＝９７０ｒ／ｍｉｎ，轴 功 率 Ｎ ： ３９１ｋＷ ，泵轴 断裂截 面直径 ｄ＝８５．０ｍｍ，泵轴 抗拉强 度 ＝５３０ＭＰａ，取泵轴安全系数为［忍］＝１．７。
第 ２９卷 第 ８期 ２０１３年 ４月
Ｇａｎｓｕ Ｓｃｉｅ甘ｎｃ肃ｅ ａ科ｎｄ技 Ｔ ｅｅｈｎｏｌ
．２９ Ⅳ０．８
Ａｐｒ． ２０１３
循 环 水 泵轴 断裂 原 因分析
魏 立 翠 ，郝 文旭
（１．二十一冶金属结构分公 司，甘肃 兰州 ７３００６０；２．兰州石化公司石油化 工厂 ，甘肃 兰州 ７３００６０）