水泵葉輪外殼內(nèi)襯裂紋的成因分析及對策措施

劉華進

（江蘇省泰州引江河管理處，江蘇泰州 225321）

1 工程概況

高港樞紐泵站安裝立式開敞式軸流泵9臺，其中，1～3#機組ZLB3000/35-4為半調(diào)節(jié)軸流泵，4～9#機組ZLQ3000/35-4為全調(diào)節(jié)軸流泵，總裝機容量18000 kW，總抽排能力達300 m3/s。另外，下層流道可按設計流量160 m3/s自流引江。

流道型式為雙層矩形流道，分上下2層，底層為進水流道，上層為出水流道，通過上下游閘門控制雙向抽水。

2 機組運行情況

各機組歷史運行開機臺時（2003年6月至2013年5月）統(tǒng)計如圖1所示。灌溉總運行7133 h，排澇總運行20917 h，單機平均運行3166 h，歷史單機連續(xù)運行時間最多20 d。

3 葉輪外殼結(jié)構(gòu)

高港樞紐機組葉輪外殼為球體型，外殼內(nèi)表面中部鑲嵌不銹鋼帶，外殼主材料為鑄鐵，內(nèi)襯不銹鋼為1Cr18Ni9Ti。其目的是為了提高抗汽蝕性能，且造價經(jīng)濟。

4 現(xiàn)場檢查情況

汛前對1～3#機組排水檢查，發(fā)現(xiàn)葉輪外殼內(nèi)襯有不同程度的擦殼現(xiàn)象，其中，1#機組內(nèi)襯1/4處出現(xiàn)開裂（如圖 2），進一步對 4～9#機組進行檢查，除4#、9#機外，也發(fā)現(xiàn)了不同程度的擦殼現(xiàn)象。對1#、2#機組水導軸承進行檢查，軸和軸承磨損情況良好，軸承間隙為0.7～0.8 mm，葉輪與外殼間隙為2.5～3 mm，靜止狀態(tài)下除1#機外葉輪并無碰殼現(xiàn)象。從1#機組內(nèi)襯開裂的斷口特征判斷，屬于疲勞破壞。

圖1 開機臺時統(tǒng)計

圖2 現(xiàn)場照片

5 故障分析

5.1 輪室壁面存在交變負荷

軸流泵端壁間隙存在間隙泄漏流，一是流速非常高，葉輪外緣線速度大，相對速度也非常高，與此速度平方成比例的壓力下降很大；二是流動十分紊亂，輪室壁面承受著交變的壓力負荷，易產(chǎn)生汽蝕破壞。

5.2 內(nèi)襯鑲嵌不牢靠

從已開裂的1#內(nèi)襯可見，中部焊接銷釘已脫焊，不銹鋼與鑄件焊縫部分開裂，敲擊內(nèi)襯時9臺機組都有不同程度的空鼓現(xiàn)象，特別是已碰擦的部位，空鼓現(xiàn)象明顯。

由于內(nèi)襯鑲嵌存在空鼓，在輪室壁面交變負荷的作用下，內(nèi)襯不銹鋼帶產(chǎn)生流固耦合振動，引起運行工況下脫開的內(nèi)襯部位與葉輪碰擦，嚴重時產(chǎn)生內(nèi)襯疲勞破壞。

6 解決方案

對已開裂的1#內(nèi)襯現(xiàn)場補焊，為防止裂縫擴展，在裂縫兩端鉆孔堆焊，對已錯開的裂縫部位，邊點焊邊鍾擊，盡量使其恢復原位。因不銹鋼材料焊接變形大，焊接采用點焊，焊接速度要快，先焊中部銷釘處，再焊上下開裂處。裂縫不能滿焊，如果內(nèi)襯焊接嚴重變形，現(xiàn)場無法處理，焊接后要對焊點進行打磨。盤車確認葉輪與殼體間隙，方可投入運行。

對已有碰擦的內(nèi)襯，按照內(nèi)襯球面標準尺寸，制作樣板，現(xiàn)場對碰擦部位進行打磨，打磨時以樣板作參照。

根據(jù)外殼內(nèi)襯損壞的程度，今后應逐臺進行機組解體大修，更換內(nèi)襯。

7 更換內(nèi)襯工藝要求

原內(nèi)襯鑲嵌加工工藝存在的缺陷：①內(nèi)襯與鑄鐵外殼用不銹鋼銷釘聯(lián)接，不銹鋼內(nèi)襯鉆孔與銷釘焊接，破壞了內(nèi)襯的整體性，焊接部分成為應力集中區(qū)，易開裂；②不銹鋼與鑄鐵的接縫處，焊接質(zhì)量難以控制，易開裂；③內(nèi)襯與鑄鐵外殼難以完全貼合，存在空腔。

針對原有加工工藝缺陷，不銹鋼與鑄鐵的聯(lián)接采取焊接與結(jié)構(gòu)堅固相結(jié)合，并堵塞空腔。重點工藝作如下改進（如圖3）：①內(nèi)襯與鑄鐵的鉚接，采用鑄件外殼鉆錐孔，不銹鋼焊條堆焊鉚接；②不銹鋼與鑄鐵的接縫處，將鑲嵌底槽加工為燕尾槽形狀，用不銹鋼焊條堆焊；③內(nèi)襯空腔采用環(huán)氧樹脂灌縫膠進行高壓灌膠，充分填補空腔。

本加工工藝中還要注意的是，焊后要進行消除應力熱處理，熱處理后再灌膠，待膠凝固后再進行精加工。

圖3 鑲嵌內(nèi)襯局部視圖

8 結(jié)語

葉輪外殼鑲嵌不銹鋼內(nèi)襯的加工工藝，應作為水泵生產(chǎn)加工的重點，否則會危及水泵機組的運行安全，造成重大的經(jīng)濟損失。同類型水泵機組，應把葉輪外殼列為重點檢查項目，適時按新的工藝要求進行更新改造。