方吉赢，赵正兴

（中核核电运行管理有限公司，浙江嘉兴 314300）

1 过程概述

2020 年9 月15 日，秦一厂3#主给水泵运行期间出力突然下降，停泵后经检查发现3#主给水前置泵联轴器电机侧螺栓全部断裂，对联轴器进行检查发现，泵侧齿套组基本完好，腔体内有湿润油脂，电机侧齿套组（损坏侧）的外齿磨损严重，并有不规则变形，部分齿面向一侧变形偏移，内齿也有轻微磨损，并且该侧油脂已干涸，在齿间形成较厚油泥。

2 设备简介

秦一厂主给水泵是单级双吸离心泵，给水泵组主要由主给水泵、前置泵、增速齿轮箱、电机组成，主给水泵电机输出功率3200 kW，泵的轴功率为449 kW，电机的一端直接驱动前置泵运转，另一端则通过增速齿轮箱驱动主给水泵。其作用为将除氧器中的合格除氧水升压后输送至蒸汽发生器[1]。当3#主给水泵检修期间，若1#、2#主给水泵继续出现故障，将导致主给水流量不足，存在机组降低功率或停机、停堆的风险。

3 原因分析

3.1 事件经过

2020 年9 月15 日，秦一厂主控发蒸汽发生器A/B 低液位偏差报警，蒸汽发生器A/B 窄量程液位持续下降。检查发现3#主给水泵出力下降，运行电流由296 A 下降至最低约170 A，主给水母管压力由7.5 MPa 下降至至7.05 MPa。初步判断3#主给水泵出力异常，经现场检查发现电机—主给水前置泵联轴器（电机侧）10 颗六角铰制孔用螺栓全部断裂，现场有联轴器错位、螺栓断裂情况（图1、图2）。

图2 螺栓断裂

主给水前置泵联轴器为双齿套联轴器，即整套联轴器分为泵侧齿套组和电机侧齿套组。其作用为传递主给水泵电机的扭矩给主给水前置泵，扭矩的传递顺序为：电机轴联轴器→电机侧齿套→六角铰制孔用螺栓→中间套→六角带铰制孔用螺栓→泵侧齿套→泵侧半联轴器。断裂螺栓为六角铰制孔用螺栓，螺栓断裂后电机扭矩无法传递，导致主给水前置泵出力下降，进而导致主给水泵出力下降。

调查发现2019 年9 月更换了整套联轴器，回装过程中对中等数据合格，修后试验后启机过程中发现自由端冒烟，修后试验合格后3#主给水泵保持运行直至2020 年8 月机组小修正常停机，小修结束后3#主给水前置泵启机运行，小修结束后运行至2020 年9 月15 日发生前置泵联轴器螺栓断裂缺陷，期间共经历3 次设备启停。

3.2 断裂位置分析

从宏观形貌上看，螺栓均断裂在光杆位置，且8 根螺栓的断裂位置基本一致，经测量比对，断裂位置正好在联轴器法兰面的接缝位置（图4），各螺栓的头部尺寸和光杆直径测量结果见表1。断裂后的螺栓头部长约33 mm，光杆直径约11 mm。

表1 断裂螺栓头部尺寸统计

3.3 端口扫描电镜分析

螺栓头断口在扫描电镜下观察其微观形貌，裂纹均起源于边缘，断面中心平整，未观察到明显内部缺陷，部分螺栓瞬断区可观察到韧窝结构，未发现解理、准解理和沿晶开裂形貌特征，具体的微观形貌螺栓断口A 区裂纹源区、B区疲劳条带见图4 和图5。

图3 断裂螺栓整体形貌

图4 螺栓断口A 区裂纹源区

图5 螺栓断口B 区疲劳条带

3.4 螺栓受力分析

3.4.1 正常工况下的剪切强度

根据该联轴器的技术要求，转速为1500 r/min，功率≤500 kW（实际泵的轴功率为449 kW，此处按联轴器的最大传递功率500 kW 计算），以此计算螺栓的受力情况，电机轴输出给前置泵的扭矩M轴=P轴×60÷2πn。其中，为M轴为电机轴扭矩，P轴为电机输出给前置泵的轴功率，n 为电机转速，经计算M轴=500×103×60÷2π×1500=3185 N·m。

电机通过联轴器上的10 根直径为10 mm 的螺栓将力矩传递到前置泵。根据图纸可知，螺栓安装孔半径r 为53 mm，由此可以计算平均到每个螺栓上的剪切力F。

将螺栓参数代入，求得剪切应力τ=77 MPa。其中，10.9 级螺栓抗拉强度Rm为1268 MPa，屈服强度Rp0.2取0.9Rm，则Rp0.2=1141.2 MPa。

前置泵正常运行时，单个螺栓受到的剪应力为77 MPa，动载荷条件下屈服强度最大的安全系数，根据机械设计基准应取5，则[τ]=Rp0.2/0.5[2]=1141.2/5=228 MPa。

单个螺栓的剪切应力τ 为77MPa，小于许用剪切应力[τ]=228 MPa，该螺栓满足使用要求。

3.4.2 异常工况下的剪切强度

由于在运行期间曾出现3#主给水前置泵自由端卡涩并冒烟的情况，这将导致前置泵扭矩增大，极端情况下会出现前置泵卡死，此时前置泵将承受电机的全部扭矩。根据泵设计手册可知，该电机额定输出功率为3200 kW，采用3.4.1 的方法计算得到单根螺栓的平均剪切应力τ=492.8 MPa，静载条件下安全系数取2.5 则许用剪切强度[τ]=1141.2/2.5=456 MPa。故单根螺栓的平均剪切应力值为492.8 MPa，大于最大许用剪切强度值456 MPa，但小于实测的剪切强度值751.2 MPa。

4 事件原因

根据时序分析，2019 年10 月3#主给水前置泵自由端挡环处卡涩冒烟，导致联轴器电机侧螺栓超负荷运行，这导致前置泵扭矩增大，极端情况下会出现前置泵卡死，此时前置泵将承受电机的全部扭矩。根据该电机额定输出功率为3200 kW，同上文算得剪切应力τ=492.8 MPa，大于许用剪切强度[τ]=1141.2/2.5(静载条件下安全系数取2.5）=456 MPa，会导致螺栓被剪断。虽然3#主给水前置泵实际并未发生卡死，正常情况下主给水泵机组的启停对联轴器螺栓无影响，不存在主给水泵机组运行过程导致的故障。但卡涩冒烟的异常工况下该螺栓承受的平均剪切应力值最大瞬时可达到492.8 MPa，超过了其许用剪切应力值456 MPa，但仍小于实测得的剪切强度值751.2 MPa，过载会在联轴器电机侧螺栓光杆表面萌生裂纹，当联轴器螺栓已经出现裂纹时，多次的启停会加剧裂纹的扩展，同时在后续稳定运行过程中，3#主给水前置泵联轴器电机侧的螺栓受到周期性的载荷作用，裂纹会不断产生疲劳扩展，最终导致螺栓某个螺栓断裂。某个螺栓断裂后，联轴器螺栓力矩不一致、每个螺栓受力不均匀即会使齿套的齿轮发生偏心、偏磨、发热，使油脂干涸，而这又加快其他螺栓断裂的进程，螺栓断口局部可见裂纹起裂和疲劳扩展的典型特征可以佐证。

5 结论与建议

综上，3#主给水前置泵联轴器电机侧螺栓材料化学成分、硬度、金相组织、非金属夹杂物以及各项力学性能指标等均满足标准要求。螺栓是因为在异常工况下受到过大载荷导致在光杆表面起裂，萌生裂纹，在后续泵启停过程中裂纹扩展，而在泵运行过程中，裂纹在周期性载荷以及联轴器螺栓力矩不一致、每个螺栓受力不均匀即会使齿套的齿轮发生偏心的作用下不断发生疲劳扩展，直至最终断裂。因此建议：

（1）尽量避免主给水前置泵在异常工况下运行，尤其要注意避免卡死的情况发生。

（2）在主给水前置泵解体维修时，通过磁粉或渗透检验加强对联轴器螺栓的检查并注意记录螺栓安装过程及检查的结果。

（3）对于承受交变载荷作用的零部件，当交变载荷低于材料的疲劳极限时，如果零件表面光滑无缺陷，疲劳裂纹源难以形成，不可能发生疲劳断裂。但当零件表面存在缺陷时，裂纹源即在缺陷导致的应力集中作用下形成。一旦产生裂纹源，在交变载荷作用下裂纹源极容易扩展，导致零部件开裂[3]。