技术供水泵膜片联轴器螺栓断裂原因分析

2018 年 3 月

水电姑机电技术

Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station

Vol.41 No.3Mar.2018

技术供水泵膜片联轴器螺栓断裂原因分析

黄志峰，王乐

(中国南方电网调峰调频发电公司检修试验中心，广东广州511400)

摘要:某抽水蓄能电厂技术供水泵与电机轴间采用膜片联轴器连接，机组投运不久后发生联轴器螺栓断裂问题。 对联轴器螺栓断裂的原因进行了分析，认为厂家安装时轴线调整方法存在问题使螺栓存在疲劳应力，加之螺栓自身 退刀槽加工粗糙造成应力集中及金属底座浇筑不规范带来的振动加剧导致了此次螺栓断裂。关键词:膜片联轴器;抽水蓄能电站;螺栓断裂

中图分类号:TV734.4

文献标识码:B

文章编号= 1672-5387(2018)03-0048-04

D01：10.13599/j.cnki.l 1-5130.2018.03.013

0前言

近年来，联轴器连接螺栓断裂的现象时有发 生[1-\\据报道在转子-轴承系统中60%的故障都与 不对中有关，因为在一定条件下转子处于不对中状 态运行时会产生不稳定的次谐波响应和高次谐波响 应。高洪涛[1]等建立了膜片联轴器耦合转子-轴承 系统的动力学模型，研究了不对中膜片联轴器耦合 的转子-轴承系统固有特性的影响。邵万珍等[2]对 冷却塔风机机组的叠层膜片联轴器连接螺栓断裂原 因分析发现，螺栓根部的退刀槽因加工质量差造成 应力集中，加上材料内部有夹杂物和联轴器安装问 题使之发生疲劳而断裂。尤磊等131对喷淋泵组的联轴 器螺栓进行分析，认为是螺栓强度高、硬度高、钢中 存在残留的氢等因素综合作用造成断裂，属于氢脆 断裂。胡国安[4财汽轮机主油泵联轴器螺栓断裂原因 分析，认为汽轮机主轴与主油泵转动轴的中心不正 和汽轮机转子存在较大的不平衡量，使机组在高速 运转过程中，联轴器的振动大，膜片和螺栓受力状况 不断恶化，长期在疲劳和磨损状态下工作，从而导致 断裂失效。崔正强等析了循环水泵泵轴联轴器螺 栓断裂原因，认为螺栓头部与螺杆的连接部位没有 过渡圆弧以及螺栓未进行调质处理，导致其材料强 度和硬度偏低，加之菜轴轴系周期性振动的小应力 造成了疲劳断裂失效。膜片联轴器是国家推广使用 的一种联轴器，在大型旋转机械中应用日益广泛。本 文以某抽水蓄能电站膜片联轴器连接螺栓断裂故障

为例，对其断裂原因进行了分析和总结，其结论对以 后的检修工作具有一定的参考意义。

1膜片联轴器特点

膜片联轴器工作原理为几组膜片（不锈钢薄板) 用螺栓交错地与两半联轴器联接，从而将主、从动轴 连接起来，形成轴系传动系统A膜片联轴器具有刚 柔并存的特性，在扭转上是刚性的，以拉力的方式传 递扭矩，在轴向和角向上又是挠性的,是靠膜片材料 的变形来吸收转动轴间存在的各种偏移的一种金属 弹性元件挠性联轴器m。膜片联轴器具有以下优点：

(1) 工作时不需要润滑，无需维护；(2) 传递扭矩能力强，使用寿命长；⑶不对中补偿能力大，方便拆装；(4)轴向和角向刚度小，

备影响小'

膜片联轴器分为连杆式和整体式，整体式和连 杆式又可分别组成四边形、六边形和八边形等偶数 边形状，如下页图1所示。左图为连杆式的单连杆, 可按需拼接成偶数多边形，右图为整体式四边形结 构。在本文电站中技术供水泵组采用的是整体式六 边形结构的膜片联轴器。

2联轴器螺栓断裂情况

2017年1月，巡检人员发现3号机组2号技术

收稿日期:2017-12-08

作者简介:黄志峰(1991-)，男，从事抽水蓄能电厂机械设备检修工

作。

第3期黄志峰，等:技术供水泵膜片联轴器螺栓断裂原因分析49

供水泵运行中振动较大且伴有异响，现场仔细查看 后发现联轴器金属罩下面有断裂螺栓，停机检查后 确认该断裂螺栓为技术供水泵组联轴器的连接螺栓。

图1连杆式和整体膜片联轴器

技术供水泵为卧式单级离心泵，厂家为凯士比 (KSB),型号 SPN300-610C,额定流量 1 530m3/h,扬 程45 m，转速为993 r/min,轴功率为224 kW,与之 搭配的为上海上电电机有限公司制造的电动机，型 号为Y355L1-6,额定功率250 kW。

技术供水栗与电机轴上都装有半联轴器，半联 轴器采用热套法与两轴装配。两半联轴器之间放置 有叠片膜片组，而膜片与半联轴器用6条销钉螺栓 相连，每侧3条，螺栓强度等级为12.9,属高强度螺 栓，其中面向水栗侧的半联轴器如图2所示。1、3、5 号孔较小，为螺栓穿入孔，2、4、6号孔较大作为衬套 放入孔和膜片组件的卡孔，电机侧的半联轴器孔则 刚好相反，小孔对应大孔，使膜片能交错的与两个半 联轴器相连,从而传递扭矩。水泵侧半联轴器的1号 和3号螺栓从根部（退刀槽）位置沿螺栓横截面断 裂，螺栓头掉落至地面，销钉螺杆仍卡在孔内，5号 螺栓螺母松脱掉落,衬套和螺栓也都掉落，如图3所 示，而且电机侧半联轴器的2号和4号螺栓也已经 松动。

图2水泵侧半联轴器示意图

图3螺栓断口情况

3螺栓断裂原因分析

3.1轴线不对中问题

联轴器螺栓断裂与松动后，对泵组进行了轴线 检查,发现轴线同心度和平行度均不合格，且与规定 值偏差较大，数据如表1所示。检查泵和电机的地脚 螺栓均未发现松动现象。随后对泵和电机侧半联轴 器进行盘车检查其摆度情况，也未发现异常。为此拆 下全部螺栓后，重新换上一套新的连接螺栓并重新 紧固，电机和栗的螺栓保持不动，重新测量轴线后发 现其平行度和同心度均符合要求，如表1所示。

表1螺栓断裂后轴线数据

测量位置

同心度/mm平行度/mm/100 mm

螺栓紧固前X0.85

0.24

Y0.650.16螺栓紧固后

X0.040.03Y

0.02

0.02

笔者随即向厂家咨询泵和电机轴的安装过程， 厂家答复如下：

(1)

预先安装好水泵地脚螺栓，吊装电机至电

机平台，安装好两半联轴器，调整好其间距,然后使 用钢板尺或者刀口尺对两半联轴器进行粗略对中；

(2)

放入膜片,装上连接螺栓并打紧，使用百分

表测量对其同心度和平行度精细调整，分别控制在 0.10 mm 和 0.10 mm/100 mm 以内；

(3 )对电机基座进行开孔，放人地脚螺栓，紧固 电机地脚螺栓，复测其同心度和平行度，确保在上述

范围内，至此完成安装。

50

水电站机电技术

第41卷

与传统鼓齿型联轴器不同，膜片联轴器安装前 应该先把两轴完全对中，然后再放入膜片并打紧螺 栓，因为膜片联轴器属于刚柔并存类型的联轴器，半 联轴器的连接螺栓对两轴会有拉扯作用，如果预先 打紧螺栓再测量对中数据，则可能会与实际值有很 大偏差。正如表1中所示，本次联轴器连接螺栓松动 和断裂后，螺栓的拉扯力不再存在，轴线回到未受力 的真正状态，此时测量得到的同心度和平行度偏差 与厂家要求值均相差较大。此外，本次检修中发现如 果要想在未预紧连接螺栓前把轴线调至合格状态， 就必须完全拔出电机地脚螺栓，也就是说电机地脚 螺栓孔和电机座孔存在错位现象，需要对电机座的 地脚螺栓孔扩孔才能重新放人地脚螺栓，此现象进 一步证实了厂家确实是先连接膜片并打紧螺栓后再 进行轴线调整的。

如果塑性较好的材料受到较大的应力时，会有 一个明显的屈服和塑性变形阶段[5]，联轴器的连接螺 栓通常具有较好的塑性,而从图3中可以看出，断裂 螺栓断口较为平整，未见明显的塑性变形，呈现脆性 断裂的特征，正是不对中的轴线系统造成的周期性 应力产生的疲劳断裂。

此电厂共有8台技术供水泵，均由同一厂家供 货与安装，因此对整个电站的安全稳定运行存在较 大隐患，以后必须陆续对各台电机座重新扩孔和机 组轴线重新调整。3.2技术供水泵组底座振动

该技术供水泵组中，水泵和电机都用地脚螺栓 固定在底座上，而底座平放于钢筋混凝土座上，金属 底座并未整体饶筑混凝土，而且整个金属底座只用 6根螺栓固定在地面且只有固定点才和地面接触， 如图4所示，也就是说大部分框架底面离地面均有 一定的距离，由于各边较长，所以存在弯曲振动可 能。为防止金属底座各边振动导致菜组振动，在各边 下面均打有楔子板。此次螺栓断裂后发现金属底座 的固定螺栓有松动现象，金属底座地脚螺栓均能使 用锤击扳手转动半圈以上，而且楔子板也有外移现 象，因此推测泵组金属底座的振动对此次螺栓断裂 也有一定影响。参考该技术供水泵的设计说明书可 知，整个金属底座必须进行二次混泥土浇筑，以此防 止底板的横向移动，如图5所示，而实际该电厂施工 时并未实施，因此也从侧面反映了金属底座松动的 可能。

图5底座的灌浆设计图

3.3螺栓退刀槽质霣问题

对两颗断裂螺栓做光谱成分测量，其稀有元素 成分如表2所示，可知断裂螺栓的材质与42OM0 相近。对两颗断裂螺栓的螺杆横截面做硬度测试，其 结果如表3所示，根据《紧固件机械性能螺栓、螺钉 和螺柱》中规定，强度等级为12.9级的螺栓其洛氏 硬度应在39和44之间，可见其硬度也在规定范围 内。

表2螺栓材质分析

单位

兀素

C

Si

Mn

Cr

Mo

^036 021 0J2 093 0A9^3 号

0.40 0.28 0.73 0.95 0.19标准

0.38-0.45 0.17-0.37 0.50-0.80 0.90-1.20 0.15-0.25

表

3洛氏硬度测霣结果(HRCJ

螺栓

测量结果

标准TW

42.4、42.2、42.4 3号

螺杆横截面

42.9、42.4、42.5

39-44

对两个断裂螺栓螺柱横截面做金相检测，发现 内部组织较均勻，主要为回火索氏体结构，未观察到 明显缺陷，螺栓边缘均未见脱碳层组织。对两个断裂 螺栓的螺柱和螺帽做电镜扫描，发现螺栓呈穿晶断 裂，能观测到韧窝组织，但断面较平齐，断口区域能 观测到许多二次裂纹，表面材料具备一定的塑性。

总的来说从成分、表面硬度、金相和电镜检查都 未发现螺栓明显异常，但通过观察其他未断裂螺栓， 明显可见螺栓根部(退刀槽)位置存在加工粗糙、精 度不一的现象。由于螺栓根部的退刀槽机加工质量

第3期黄志峰，等:技术供水泵膜片联轴器螺栓断裂原因分析51

差，使其尖槽处产生高的应力集中，诱发螺栓发生疲 劳断裂的问题已有发生['4结论

对某蓄能电站技术供水泵联轴器螺栓断裂的原 因进行了分析，认为：

(1)

步骤，致使技术供水杲组的轴线同心度和平行度不 满足要求，使螺栓产生周期性的应力而产生疲劳断 裂，是此次的螺栓断裂的主要原因；

(2)

全按照使用说明书的要求对底座进行二次浇注，进 而使底座固定螺栓产生松动，加剧了栗组的振动，而 且联轴器螺栓的退刀槽加工粗糙，使得应力集中加 速了螺栓的断裂。

建议使用正确的方法对技术供水泵和电机进行 栗轴对中、更换合格的联轴器螺栓以及对技术供水 泵底座进行二次浇注以减小振动。

(上接第47页）

表3发电工况振动与摆度(2号机组退备处理后J位置上导下导水导

机组发电工况；P=302.9MW，If=1 374A

摆度/|xm位置方向方向

X87XY87Y上机架X52ZY60XX88Y下机架Y95Z

振动/mm/s

0.420.450.190.120.130.26

参考文献：

[1] 高洪涛，李明.不对中对膜片联轴器耦合转子轴承系统固

有特性的影响[J].化工机械，2005(01):22-26,44.

[2] 邵万珍，吴国奇.叠层膜片联轴器螺栓断裂原因分析〇〇.理

化检验(物理分册),2007(08):414-418.

[3] 尤羞，邓小云，陈蓉，等.联轴器螺栓断裂原因分析与改进〇〇. 核动力工程,2013(06):153-155.

由于厂家安装时未使用正确的安装和对中

[4] 胡国安.汽轮机主油泵联轴器螺栓断裂事故的分析和处理

U].浙江冶金，2002(01):10-11.

[5] 崔正强，吾之英，汪德健，等.循环水泵泵轴联轴器螺栓断裂

分析〇〇.理化检验(物理分册)，2010(06): 406-408.

[6] 韩建军.膜片联轴器安装技术分析〇〇.山西建筑,2016(33): 该电厂进行技术供水泵组底座安装时未完

219-220.

[7] 徐阳,&金阳，陈永祥，等.国产膜片联轴器的技术及应用进 展 〇〇.流体机械,2010(11):30-35.

[8] 母成革.膜片联轴器的研究与应用[C]//全国火电300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集.全国发电 机组技术协作会,2010.

[9] 岑东.膜片联轴器检修安装中不应忽略的问题〇〇.设备管理

与维修，2〇09(〇3):18_19.

1) 加强日常维护监视工作，机组在启动至旋转

备用、发电工况、抽水调相工况、抽水工况、进相运行 时,ONCALL值班人员应密切关注机组下导轴承摆 度及瓦温，一旦发现异常增大甚至接近跳机,向调度 申请将机组解列。

2)

按照规范机组C修每年才一次，但每半年有

一次D修，检修人员可以在D修时增加导瓦轴承及 循环油质检查项目，确保能及时发现异常。

3)

振动/mm/s

0.270.280.190.250.240.49

表4抽水工况振动与摆度(2号机组退备处理后1

机组抽水工况；P=-309.5MW, If=1341A

摆度/pm位置方向方向

X79XY75Y上机架X111ZY113XX53Y下机架Y54Z

鉴于该机组发电机为浮动磁轭,将机组9段

位置上导下导水导

磁轭拉紧螺栓的止动焊缝是否有裂纹作为重点检查 项目，以此推断转子的重心是否发生偏移。参考文献：

[1] 路志伟，王增利，王军.安康水力发电厂4号发电机组水导 摆度增大分析[J].科技资讯，2〇13(3〇):1〇3_1〇4.

4结语与建议

通过对2号机组下导摆度增大问题的故障查 找、分析，并通过再配重的方法进行处理，2号机组运 行至今，下导摆度一直稳定在标准范围,2号机组的 下导摆度增大问题的处理方法，对其它3台机组下 导摆度增大现象处理提供了参考依据。同时,对后续 机组的运行维护，提出以下建议：

[2] 向龙海.清溪水电站发电机组下导摆度超标原因分析及处

理〇].贵州电力技术,2〇16，19(6):13_14.

[3] 陈华，熊立功，职光磊.水力发电机组摆度超标测试分析处

理〇].水电站机电技术，2009(5):47-49.

[4] 董志伟,赵公杰，郭來水布垭水电厂4号机组下导摆度大

的原因及处理〇〇.水电与新能源，2014 (7):59-64.

[5] 李茂林.三里坪水电站1号机组下导摆度异常增大故障诊

断及处理[J].水电与新能源,2016 (11):59-67.