熱水泵葉輪失效原因分析

李俊日

（中國石油四川石化有限責(zé)任公司，四川成都 611930）

1 背景介紹

2018 年12 月，四川石化公司生產(chǎn)六部橡膠裝置后處理熱水泵（P-3001E）葉輪的后蓋板發(fā)生斷裂，如圖1 所示。順丁橡膠裝置熱水泵P-3001E 送來的循環(huán)熱水分為兩個(gè)部分，一部分熱水進(jìn)入熱泵吸收器A-2201-E4 被加熱至105 ℃左右后，再進(jìn)入凝聚釜。此次失效彎頭所在流程：熱水泵P-3001E 循環(huán)熱水跨熱泵機(jī)組，直接進(jìn)入相應(yīng)的凝聚釜頂噴淋。熱水泵P-3001E至第一汽提釜R-2401 頂工藝管線資料見表1。

圖1 葉輪斷裂的宏觀形貌

2 檢測分析

2.1 宏觀及低倍觀察

熱水泵（P-3001E）的葉輪由前、后蓋板和4 個(gè)流道（葉片）構(gòu)成，為閉式葉輪。熱水泵葉輪后蓋板的局部處發(fā)生斷裂。宏觀看，裂紋大多起源于熱水泵葉輪后蓋板的內(nèi)壁表面，少數(shù)起源于葉輪后蓋板的外壁表面。

葉輪表面未見明顯腐蝕（點(diǎn)蝕或應(yīng)力腐蝕）；葉輪斷口上的大部分區(qū)域因受到碰撞而被破壞，僅殘留少部分區(qū)域斷口仍能保持原貌；裂紋起源于葉輪后蓋板的內(nèi)、外壁表面，斷口上可見“貝紋狀”的疲勞弧線，表明葉輪斷裂性質(zhì)為多源疲勞斷裂。

在葉輪后蓋板內(nèi)壁斷口的裂紋源處附近，存在大量的鑄造缺陷（孔洞、疏松等）。葉輪斷口的失效原因，主要是這些鑄造缺陷所致。

表1 1150-PW-2P05-S4D-H1 管線

2.2 材料分析及組織觀察

從送檢葉輪上切取塊狀樣品，依照GB/T 16597—1996 等標(biāo)準(zhǔn)，使用光譜儀等，對其材料進(jìn)行化學(xué)分析。結(jié)果表明，葉輪材料成分基本符合304 不銹鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求（表2）。

2.3 金相檢驗(yàn)

取葉輪后蓋板斷口處樣品，進(jìn)行預(yù)磨和拋光等處理，進(jìn)行低倍金相組織檢驗(yàn)。在葉輪后蓋板斷口處內(nèi)壁有鑄造缺陷存在，有裂紋產(chǎn)生于這些鑄造缺陷處，其金相組織為奧氏體基體上有呈枝晶態(tài)分布的少量鐵素體。從斷裂葉輪上取金相樣品，經(jīng)預(yù)磨、拋光、腐刻后，在顯微鏡下觀察分析。葉輪母材為鑄態(tài)，其金相組織為奧氏體基體上有呈枝晶態(tài)分布的少量鐵素體[1]。

表2 葉輪材料化學(xué)分析 wt%

2.4 電鏡及能譜分析

使用掃描電鏡，對葉輪斷口進(jìn)行形貌觀察和元素成分能譜分析。在葉輪斷口的裂紋源區(qū)，斷口較陳舊，斷口上附著有氧化物，致使斷口細(xì)節(jié)的清晰度較差，疲勞“輝紋線”不甚清晰。在葉輪斷口的裂紋擴(kuò)展區(qū)，存在大量疲勞“輝紋線”，與裂紋擴(kuò)展方向垂直；能譜分析表明，斷口上未見腐蝕性元素。通過斷口的能譜分析，斷口表面除氧外，未見明顯腐蝕性元素。

3 綜合分析

通過熱水泵斷裂葉輪的多項(xiàng)理化檢驗(yàn)分析，認(rèn)為熱水泵葉輪的斷裂主要與其受力狀況、葉輪制造質(zhì)量及結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。有關(guān)研究表明[2]，葉輪的應(yīng)力在前、后蓋板的分布是不同的，葉輪的周向應(yīng)力大于徑向應(yīng)力，即圓周方向的應(yīng)力是主要的，最大的圓周應(yīng)力位于后蓋板與葉輪輪轂處。前面對葉輪斷口的分析，確認(rèn)了裂紋源基本都在應(yīng)力最集中處。

熱水泵葉輪后蓋板內(nèi)外壁表面的狀態(tài)也有差異，后蓋板外壁表面較光滑，后蓋板內(nèi)壁表面較為粗糙。不僅有機(jī)加工刀痕，還存在許多鑄造缺陷（孔洞、疏松等），這些地方易于產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，萌生出疲勞裂紋[2]。

在用奧氏體不銹鋼制造的壓力容器和管道中，如果存在氯離子、氫氟酸溶液，會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。這是由于溶液中的氯離子、氟離子使不銹鋼表面的鈍化膜受到破壞。在拉伸應(yīng)力作用下，鈍化膜被破壞的區(qū)域就會產(chǎn)生裂紋，成為腐蝕電池的陽極區(qū)，連續(xù)不斷的電化學(xué)腐蝕最終可能導(dǎo)致金屬的斷裂。這種腐蝕與氯離子、氟離子的濃度關(guān)系不大，即使是微量的氯離子、氟離子，也可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。

一般氯離子腐蝕通常發(fā)生在焊接接頭處。焊縫熱影響區(qū)焊接過程中遭受敏化，產(chǎn)生晶間腐蝕，裂紋源起源于點(diǎn)蝕坑，導(dǎo)致晶間應(yīng)力腐蝕開裂。橡膠裝置中，氯離子主要來源于鍋爐水環(huán)境，氟化氫來源于催化劑三氟化硼水解形成的。開裂的熱水管線和膠液線，經(jīng)過采樣分析，里面含有微量的氟離子和氯離子，有必要采取相應(yīng)措施，解決設(shè)備管線開裂問題。前面對葉輪斷口處后蓋板內(nèi)壁的分析，確認(rèn)裂紋正是起源于這些地方。

這樣，當(dāng)熱水泵葉輪高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)，會有很強(qiáng)的疲勞載荷作用在葉輪上，葉輪后蓋板受到的應(yīng)力最大，最容易在葉輪后蓋板應(yīng)力集中，且由于強(qiáng)度相對較低，若存在鑄造缺陷，則更易導(dǎo)致葉輪疲勞裂紋；一旦疲勞裂紋產(chǎn)生，在交變應(yīng)力作用下，就會不斷地?cái)U(kuò)展，直至造成葉輪的疲勞斷裂失效。

4 結(jié)論

（1）葉輪材料為304 不銹鋼。

（2）葉輪金相組織為鑄態(tài)奧氏體+晶間少量鐵素體。

（3）葉輪中（尤其的后蓋板內(nèi)壁）含有大量的鑄造缺陷。當(dāng)葉輪工作時(shí)，這些鑄造缺陷在交變載荷作用下，在葉輪后蓋板局部區(qū)域形成嚴(yán)重的應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋。隨著疲勞裂紋不斷擴(kuò)展，最終造成葉輪的疲勞斷裂。

5 建議

提高葉輪鑄造質(zhì)量，增加無損探傷檢驗(yàn)。在設(shè)備運(yùn)行前，應(yīng)確定動平衡校驗(yàn)合格，以減小葉輪運(yùn)行中所受到的交變載荷。