某干船塢主排水泵導流體法蘭斷裂原因分析及修復

張擁軍，李國祥

(1.上海華潤大東船務工程有限公司,上海 202156;2.上海海事大學 商船學院,上海 201306)

大型船塢一般采用軸流排水泵作為主排水泵。這類泵運行時流量大、揚程低。由軸流泵的特性可知：這類泵的比轉(zhuǎn)數(shù)在500～1 000之間；葉輪出口與進口的直徑比約為1，葉片外形扭曲。H-Q曲線特點是封閉揚程為設計工況的2倍，揚程曲線呈馬鞍形且變化較急。P-Q曲線特點是封閉功率最大，設計工況附件曲線呈駝峰形，流量再增加功率又下降。η-Q曲線的特點是急劇上升后又急劇下降[1]。故此，對泵在運行、維護保養(yǎng)方面要嚴格按照要求執(zhí)行。

1 干船塢1號主排水泵的損壞情況

某船務公司的船塢共有2臺軸流排水泵，型號為1800HL—11S，流量11 m3/s。該泵主要由馬達、導軸、葉輪、泵體、導流體和密封裝置等組成，配備的電動馬達質(zhì)量約20 t，最大構(gòu)件質(zhì)量約8.5 t，泵體總質(zhì)量22 t[2]。

該公司的干船塢1號主排水泵，因生產(chǎn)任務緊、長期運行而得不到及時檢修和維護保養(yǎng)，待故障發(fā)生時已無法繼續(xù)工作。經(jīng)停泵、現(xiàn)場檢查后發(fā)現(xiàn)：該排水泵下法蘭緊固螺絲松動，部分螺絲脫落，法蘭中間墊塊松動，其中有幾塊墊塊已經(jīng)脫落丟失；導流體下支撐法蘭斷去約1/2；檢查泵中間賽龍軸承(下軸承)間隙，發(fā)現(xiàn)間隙增大、賽龍磨損量增大。

2 導流體斷裂原因分析

金屬構(gòu)件在應力作用下分離為互不相連的2個或2個以上部分，斷裂處暴露出的自然表面(即裂紋掃過的面積)稱為斷口。斷口是對斷裂過程有關信息的直接記錄，也是判別部件失效原因的有力證據(jù)。斷口分析是研究金屬斷裂面的學科，是斷裂學科的組成部分。金屬材料的斷裂過程一般分成3個階段，即裂紋萌生階段、裂紋亞穩(wěn)擴展和失穩(wěn)擴展階段、斷裂階段。對于金屬材料的斷口分析，可以從斷口的宏觀和微觀入手，但由于本導流體部件直徑達3 m、部件質(zhì)量達十幾噸，對導流體斷口不方便做掃描電子顯微鏡(SEM)等的微觀分析，故本文以金屬斷口學理論作指導，著重對導流體斷口從宏觀的角度進行分析。

斷口的宏觀分析是斷裂失效分析的基礎。通過宏觀分析，直接確定斷裂的宏觀表現(xiàn)及其性質(zhì)，以及斷裂源區(qū)的位置、數(shù)量及裂紋擴展方向等。宏觀斷口分析的優(yōu)點是能便捷、迅速地觀察破斷全貌，裂縫(斷口)與部件形成的關系，斷口與變形方向的關系，斷口與受力狀態(tài)(主應力或切應力)的關系。金屬斷口宏觀分析的依據(jù)主要有：斷口顏色、花紋、粗糙程度、邊緣情況、位置等。

圖1(a)、(b)分別為導流體、法蘭斷口局部放大圖，從圖1(a)和(b)中可以看出斷口可以分成A、B、C 3個區(qū)域。A區(qū)斷口老舊且已氧化，故為最先斷裂區(qū)，亦為疲勞源區(qū)；B區(qū)斷口嶄新光亮，為選擇擴展區(qū)；C區(qū)斷口也呈新鮮狀態(tài)，但與B區(qū)有所區(qū)別，為瞬時斷裂區(qū)。

圖1 導流體、法蘭斷口局部放大圖

從圖1(a)、(b)導流體、法蘭斷裂宏觀情況，可以看出如下問題。

1)導流體斷裂部位發(fā)生在下支撐法蘭，且斷口A區(qū)的裂紋源為宏觀裂紋源，肉眼清晰可見(在0.1～10.0 mm之間)；導流體工作溫度接近船塢排水溫度，全年通常在0～37 ℃之間，即工作溫度較低；斷口B區(qū)平齊、光亮，且與導流體的正應力垂直。故從斷裂變形程度看，導流體下支撐法蘭斷裂屬于低溫脆性斷裂。

2)導流體下支撐法蘭斷裂部分約占總下支撐法蘭的1/2，且斷裂面細長連續(xù)、延續(xù)時間短(細長區(qū)域幾乎同時發(fā)生斷裂)、斷裂面宏觀上非常平整、裂紋無分叉。說明該斷裂從裂紋機制角度看屬于剪切斷裂。

3)下法蘭緊固螺絲松動，法蘭之間的墊塊脫落。說明泵運行中曾經(jīng)有長時間較強的震動，說明該斷裂是由突發(fā)的高強度外力沖擊引起。故該斷裂從受力狀態(tài)角度看又屬于沖擊斷裂[3-5]。

4)泵賽龍?zhí)?下軸承)磨損嚴重，說明泵的運轉(zhuǎn)不平衡。其原因可能是：軸承間隙過大，葉輪動平衡不良、泵軸的同軸度偏差過大、甚至泵軸有彎曲[6]。

經(jīng)實地勘察，結(jié)合上述4點分析，認為部件損壞原因是：該干船塢1號主排水泵因長期運行缺乏檢查保養(yǎng)，致中間賽龍軸承(下軸承)磨損量逐漸增加、間隙增大，導致泵葉輪碰到導流體下方殼體。隨著時間的推移，這種碰擦又使泵體振動增強，長時間的泵體振動又促使下法蘭螺絲松動脫落。螺絲松動脫落后使法蘭間的調(diào)整墊塊脫落，整個法蘭因失去力平衡，在重力(光導流體和支撐法蘭質(zhì)量就超過2 t)和振動雙重作用下產(chǎn)生的巨大作用力將導流體下支撐法蘭直接折斷。

3 導流體斷裂部位的修復

針對損壞情況，首先應修復導流體本體及斷裂的法蘭。傳統(tǒng)的方法是先將裂縫處打磨平整，將原法蘭與破損導流體用堆焊的方法連接起來。但經(jīng)實踐，由于導流體最初是采用鑄造工藝建造，其材料為鑄鐵，采用鑄鐵電焊條堆焊焊接的結(jié)果很不理想，無法成功連接。無奈之下只好采用鋼片拼接螺栓固定的方法，即將裂縫處打磨平整后，在老法蘭處覆上以普通碳鋼為材質(zhì)的圓弧段法蘭片并鉆上相應法蘭螺孔，圓弧段法蘭片與老法蘭一起被螺栓固定，再在導流體本體上覆上數(shù)塊連接片(鉆孔并用螺栓固定在導流體上)，將連接片與圓弧段經(jīng)加強肋片電焊連接，其余縫隙部位用鐵水泥封堵(如圖2)。

圖2 導流體的修復過程

對于主軸中間賽龍軸承(下軸承)磨損的問題，理想的做法是更換賽龍軸套。但這樣做需要將整臺水泵吊送到車間，由于該泵最大起吊高度達12.5 m，泵體總質(zhì)量22 t，電機質(zhì)量為20 t，作業(yè)相對比較困難。同時由于公司生產(chǎn)任務緊，時間上不允許再拖延，故賽龍?zhí)仔枇碚液线m時間再檢查和更換，一旦賽龍換新葉輪和葉輪外殼的間隙須重新調(diào)整至標準值。

最后對整個泵體的動平衡和對中做現(xiàn)場檢驗和調(diào)整。對主軸進行對中校驗，導流體修復后葉輪與葉輪外殼的間隙為0.30～0.50 mm(標準值為0.15～0.35 mm)，雖然略超過標準值，但實際運行后發(fā)現(xiàn)，對泵的總體流量影響不是很大。

4 結(jié)束語

通過對某干船塢1號主排水泵現(xiàn)場檢查，根據(jù)斷裂部件的實際情況，分析導流體法蘭的斷裂屬性和原因，針對斷裂原因利用鋼片拼接螺栓固定方法成功加以修復。雖然最后因生產(chǎn)任務原因，未對泵主軸中間賽龍?zhí)?下軸承)進行更換，但修復后的泵已能滿足實際使用要求。此泵的故障和修復實例，為我們以后對此類泵的運行維護及維修保養(yǎng)提供了寶貴經(jīng)驗，對于類似的大型泵維護保養(yǎng)工程也具有一定的借鑒意義。