汽轮机调节油系统尼龙联轴器失效分析

周建平，李上元，王 琪

（广西防城港核电有限公司，广西防城港 538001）

0 引言

某电厂汽轮机调节油系统（GFR）3 号油站主油泵运行时突发压力降为0 MPa 导致电机空转事故。解体检查发现电机与泵体之间联轴器损坏并断裂，如图1a 所示。随后电厂对其他GFR油泵均进行解体检查，发现1 台主油泵联轴器出现轻微磨损，能见到少量粉末在泵轴端，联轴器齿基本完整，如图1b 所示。

图1 损坏失效的联轴器

1 连接方式及外观检查

1.1 连接方式

本次失效的联轴器为同一型号批次，连接方式如图2 所示：泵联轴器上下部分均有一圈齿槽，分别于电机及泵轴端的齿槽相匹配以传递力矩。根据检修观察情况，联轴器与泵轴齿槽相连部位的整圈齿槽已全部刮平，而与电机端连接的齿槽完好。拆检泵轴端的齿槽，发现泵轴端齿槽有一个齿卷起胀鼓并带毛边。表明失效的联轴器安装不到位导致缺陷，在联轴器安装过程中，该凸起的毛边将联轴器推向凸起侧，影响联轴器的对中，聚酰胺联轴器装配不平形成张口；同时用较大的力将联轴器压进齿槽，导致聚酰胺齿槽有划痕并且产生挤压[1]；这种因泵轴端齿缺陷造成对中不良以及聚酰胺联轴器划痕损伤，在设备长期运行中会加速磨损联轴器。

1.2 外观检查

1.2.1 尺寸、硬度、密度测量

图2 联轴器连接方式

采用游标卡尺、高硬度邵氏硬度计、密度天平分别对断裂联轴器样品及磨损联轴器样品进行尺寸、硬度、密度测量，结果见表1。对比数据发现，断裂联轴器样品的各种尺寸均大于磨损联轴器样品，断裂联轴器样品的硬度略小于磨损联轴器样品的硬度，断裂联轴器样品的密度略大于磨损联轴器样品的密度。由成分分析可知，助剂和填料很少，所以可推测断裂联轴器样品的分子量略大于磨损联轴器样品的分子量。

表1 联轴器样品尺寸、硬度和密度测量

1.2.2 色差分析

根据GB/T 7921—2008《均匀色空间与色差公式》，对样品进行色差分析，结果见表2。其中，L 值表示亮度；a、b 值为色坐标值，其中a 表示红绿色方向颜色变化，+a 表示红色方向变化，-a 表示绿色方向变化；b 表示黄蓝方向变化，+b 表示黄色方向变化，-b 表示蓝色方向变化；ΔE 值表示CIE LAB 色差。

断裂联轴器样品外表面与磨损面之间的色差ΔE 约为8.03 NBS，磨损联轴器样品外表面与断口面之间的色差ΔE 约为4.23 NBS。磨损联轴器样品外表面与断口面色差ΔE 小于断裂联轴器样品外表面与磨损面之间的色差ΔE。由于色差小的内外颜色差别小，磨损联轴器样品断口颜色较深。断裂联轴器样品磨损面颜色较外表面颜色差别较大。由此可以推断，磨损联轴器样品内部黄变老化现象比断裂联轴器样品严重。

表2 联轴器外壁面与磨损面的色差

2 理化分析

2.1 傅里叶红外光谱分析（FT-IR）

根据GB/T 7764—2001《橡胶鉴定红外光谱法》，使用傅里叶红外光谱分析进行材质鉴定，表明该联轴器材质为聚己二酰己二胺（PA-66，即尼龙-66）。同时对联轴器表面存在的磨损粉末进行分析，断裂联轴器磨损面表面粉末为基材磨损形成，内壁黑色异物推断为基材老化分解残留物，还有外来的微量氧化铁。磨损联轴器内壁黑色异物推断也为基材老化分解残留物，还有外来的微量氧化铁和氧化铜断裂联轴器的填料为尼龙添加助剂滑石粉和亚磷酸类抗氧剂，磨损联轴器的填料主要有氧化锌、碳酸钙和少量的滑石粉及亚磷酸酯类抗氧剂。两者填料不一样，耐磨系数也不一样，可以推测厂家生产工艺管控不严。

2.2 热重分析（TGA）和差示扫描量热仪（DSC）分析

根据GB/T 14837.1—2014《橡胶和橡胶制品热重分析法测定硫化胶和未硫化胶的成分 第1 部分》以及GB/T 13464—1992《物质热稳定性的热分析试验方法》，对样品进行热重分析和差示扫描量热仪分析。结果表明联轴器共聚物树脂含量92.38%，残炭含量5.27%；实测灰分含量0.093%，其他助剂和填料含量2.37%，熔点263.29 ℃，在尼龙-66 的熔点（259～267 ℃）之间。

2.3 断口扫描电镜分析（SEM）

对联轴器磨损面或断口处清洗干净，采用离子溅射法对断口进行喷金处理后，放入扫描电镜观察断口微观形貌（图3、图4）。通过对磨损面进行SEM 分析可知，断裂联轴器样品由摩擦引起韧性断裂；磨损面表面粗糙，其中存在大量颗粒松动和脱落，磨损面未发现类似玻璃纤维状物质（通常玻璃纤维是尼龙材料的添加剂，可改善尼龙材料的耐磨性）。断裂联轴器样品断面十分光滑平整，推断为脆性断裂，断口面未发现类似玻璃纤维状物质，但断面有尖锐片状颗粒脱落，推测为氧化铁和氧化锌颗粒加速了内部老化[2]。

3 原因分析与改进措施

3.1 原因分析

结合联轴器的使用工况、实验分析和经验反馈，分析得出联轴器磨损失效原因。

图3 断裂联轴器磨损面形貌

图4 磨损联轴器磨损面形貌

（1）联轴器失效主要原是泵轴端齿槽卷边带毛刺刮削联轴器齿槽，导致联轴器齿槽膨胀与不对中，联轴器齿间配合不佳，运行时长期受挤压而磨损。

（2）失效原因还包括厂家生产工艺管控不严，断裂的联轴器和磨损的联轴器属于同一型号产品，但两者填料相差甚多，耐磨系数也不一致；联轴器使用3 年，就产生了老化断裂和磨损现象，老化程度与尼龙树脂本身的材料性能和工艺有关。

（3）根据其他电厂的经验，采用低熔点的PA-6 材质（230 ℃）的树脂。与PA-66（259～267 ℃）相比具有更好的回弹性、抗疲劳及稳定性，PA-66 硬度比PA-6 高16%～17%，硬度越高，纤维的脆性越大，而越容易断裂。

3.2 改进措施

（1）做好新备品备件的入厂验收，要求厂家出具材质抽检报告。

（2）PA-6 及PA-66 材质的联轴器均适用于现场油泵，优选PA-6 材质的联轴器，或使用无机粒子、纤维等填充剂以增强其耐磨性。

（3）在运输、保存过程中注意保护尼龙联轴器，避免紫外线照射、绝热绝湿，防止磕碰，尽量使用黑色包装袋贮存。安装过程中应仔细检查备件以及泵轴端齿槽的状态，安装时注意对中，避免挤压齿槽以及接触水分。

4 总结

在联轴器成分、断口扫描电镜分析的基础上，结合联轴器材质、运行工况、力学参数、受力分析结果及断口形貌分析结果等，确定联轴器磨损失效的主要原因为安装过程存在缺陷，厂家生产工艺管控不严导致材质不佳。针对问题制定处理措施，避免问题重发，对汽轮机调节油系统尼龙联轴器的管理具有指导意义，为设备的安全运行提供保障。