摘要：泵是石油化工生产中非常重要的设备，泵轴是泵的一个极其重要的组成部分。为降低安全事故风险，提高企业生产效率，必须要求泵轴安全稳定运行。在泵的使用过程中，泵轴的转速非常快，加上加工、设计和周围环境等因素的影响，泵轴经常断裂。生产线每发生一次事故，都会造成非计划停车，造成巨大的经济损失，甚至存在安全隐患。疲劳断裂和腐蚀断裂是泵轴常见的失效形式。泵轴的材料选择、应力和工作环境是影响这些失效模式的主要原因。
关键词：润滑油泵；主动轴；断裂分析；预防措施
2018年10月20日凌晨1:00左右，扬子石化某厂压缩机厂房内电机润滑油泵联轴器油压下降，备用泵自动启动，后经拆卸检查发现为电机润滑油泵（型号GB201102B）主动轴断裂。该电机润滑油泵于2014年投入使用至主动轴发生断裂，期间并无明显异常。主动轴的材料为45#钢，断裂位置位于距离左侧第二个台阶面0.5mm处，其断裂位置示意图如图1所示。
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图1主动轴断裂位置示意图
1试验过程与结果
1.1宏观检测
对断裂后的泵轴进行宏观检测，泵轴断裂后形貌如图2(a）、2(b）所示，断口位置距轴左侧端面0.5mm。主动轴断口如图2(c）、2(d）所示。由于试件发生断裂后未及时取出，在一侧断口处可以观察到明显的摩擦磨损痕迹，断口表面未见油污，断面呈现金属光泽。
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图2断裂轴及断口形貌
如图2（c）所示，根据驱动轴断裂的表面情况，断裂大致可分为a、B、c三个区域，断裂面垂直于电机轴的轴线，a区域呈疤痕状从整个截面伸出；在断裂区域B观察到一定数量的疲劳条纹，但由于断裂表面有局部的摩擦磨损痕迹，无法从疲劳条纹中推断出疲劳源的位置；断裂引起的台阶出现在断裂的外圈C区，整个外环面积略低于整个截面。从图2（c）可以看出，轴的断裂面附近没有明显的塑性变形。可以推断，该井的断裂过程非常迅速，早期没有明显迹象。
1.2断口微观检验
超声波清洗后，用扫描电镜（SEM）对断裂过程进行分析和观察。区域a、B、C的扫描结果如图3-5所示。
由图2可以看出，轴向断裂的第一阶段发生在轴边缘的a区，并沿径向和周向传播，从而导致裂纹萌生并形成裂纹源。图3（a）是图2中区域a的整体放大图。该区域有明显的摩擦磨损痕迹。断口上有一定量的摩擦划痕，如图3（a）箭头所示，断口不均匀，并伴有一定量的孔洞，如图3（a）和图3（b）所示。图3（b）是孔洞区域的局部放大图。可以清楚地看到，这个地区有许多不规则的洞。图3（c）是A区“疤痕”左侧的放大图。圆圈中可以观察到许多小孔。将圆中的细长孔放大后，可以得到图3（d），并且可以观察孔内的台阶图案。
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图3A区域断口形貌
第二阶段为泵轴裂纹的扩展阶段，如图4所示。泵轴断裂B区域较为平整，在裂纹扩展区域发现了较为明显的疲劳辉纹，如图4(a）所示。将该区域进一步放大，疲劳辉纹的痕迹更为明显，如图4(b）所示，表明该样品发生了一定程度的疲劳损伤并促使了裂纹的扩展。
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图4B区域断口形貌
第三阶段为泵轴的断裂阶段，即断裂位置C区，如图5所示。由图5(a）可以观察到该区域存在明显的台阶状形貌。断裂试样在最终断裂区疲劳辉纹数量进一步增加，并在断裂台阶前产生了诸多的细小裂纹，如图5(b）所示。
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图5C区域断口形貌
1.3力学性能检测
从断裂的泵轴中切取硬度试块和拉伸试样，对其进行力学性能测试。泵轴的平均硬度值为325.6HB,45#钢在作为传动轴时要经过调质处理，而45#钢调质硬度在228～285HB之间，因此该样品的平均硬度明显高于标准GB/T699-2015《优质碳素结构钢》所规定的硬度。通常而言，调质过程中，高温回火温度偏低、回火时间不足会导致材料硬度偏高、工件调质处理不充分。
根据拉伸试样标准GB/T228-2010中规定，从断裂的泵轴部位取3个拉伸试样，采用INSTRON5582试验机进行拉伸试验，屈服前的加载速率为0.3mm/min，屈服后的加载速率为2.3mm/min。实验结果表明，泵轴部位屈服强度约560.3MPa；抗拉强度约870MPa；断后伸长率16.3%；断面收缩率55.7%，断裂泵轴部位的拉伸性能满足标准要求。该标准范围取自GB/T699-2015经过热处理（淬火+回火）后45#钢的力学性能表。但是该标准未规定泵轴的拉伸性能的上限值。从实验数据中可知，该泵轴的屈服强度和抗拉强度均明显高于标准，其结果类似于硬度测试结果。因此，尽管泵轴的拉伸性能满足标准规定的调质要求，但强度略高。
2分析与讨论
泵轴正常工作时，只受扭矩产生的周向剪切力的作用。当周向剪切力超过轴的极限承载力时，材料将发生剪切破坏。但在实际使用过程中，电厂和泵的装配过程中不可避免地会有一定的配合公差，因此在驱动轴正常运行时，会受到扭矩产生的周向剪切力以及配合公差产生的弯曲载荷的影响，可以简化为一个模型。其中a、B分别为固定驱动轴的轴承；C端对应驱动轴的延伸段，C为动力装置与泵的连接位置；F为配合公差引起的垂直于轴向的力。在扭矩和弯矩的共同作用下，当这两种力的合力大于轴的极限承载力时，材料就会受到损伤。
轴的断裂位置与理论模型中的最大剪力和弯矩位置一致，即断裂位置距第二台阶面0.5mm。因此，驱动轴断裂失效的原因是：由于泵轴强度高，内部结构中夹杂物和配合公差引起的弯曲载荷，轴受到扭矩和弯矩的共同作用，夹杂物处于扭矩和弯矩的最大位置产生应力集中，形成裂纹源。在这两种力的共同作用下，泵轴的有效轴承面积不断减小。当泵轴的有效轴承面积减小到不足以承受机构载荷时，泵轴将发生疲劳断裂失效。综上所述，泵轴断裂是由弯矩、扭矩和夹杂缺陷共同作用引起的。
3改进措施
分析了润滑油泵主轴断裂的原因，为润滑油泵主要生产厂家改进泵轴的选材和热处理工艺提供了试验数据支持，同时对化工厂润滑油泵的正确使用和定期检查提出了建议。
（1）在硬度试验中发现，泵轴硬度较大，导致材料韧性和塑性较差，可能是45×钢高温回火温度不够所致。因此，必须严格控制热处理过程中的温度，并定期对热处理炉的温度进行校准。
（2）金相组织分析中含有一定量的夹杂物，对材料的性能也有很大影响，因此在生产过程中，应尽量保证材料的纯度，防止有害元素渗入材料中。
（3）设备制造厂应使用高粘度的润滑油，以减少传动轴的磨损，定期检查轴的磨损情况，定期更换润滑油，防止润滑油中的杂质引起轴的磨损。
结论
(1）泵轴材料中检测出一定数量的夹杂物，主要为富硫的MnS和富氧的Al2O3夹杂，其在泵轴失效过程中会造成一定影响。(2）泵轴硬度为325.6HB，高于标准规定的硬度最大值，轴硬度值偏高。屈服强度约560MPa，抗拉强度约870MPa，明显高于标准要求的最低值。上述过程会造成泵轴的韧性不足，导致泵轴过早失效。(3）主动轴在发生断裂前，其内部已经存在诸多的夹杂物，整根轴在外部载荷的作用下会在夹杂物处优先形成应力集中，以至于在夹杂物处会萌生出许多微小的裂纹，同时这些微小裂纹会在交变载荷的作用下不断地被扩展，最终造成整根轴的断裂失效。
参考文献：
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