火電廠水環真空泵葉片斷裂原因分析及修復

史海燕，史曉琦

（1.內蒙古華潤磴口金牛煤電有限公司，內蒙古磴口 015200； 2.湖南文理學院芙蓉學院，湖南常德 415000）

火電廠水環真空泵葉片斷裂原因分析及修復

史海燕1，史曉琦2

（1.內蒙古華潤磴口金牛煤電有限公司，內蒙古磴口 015200； 2.湖南文理學院芙蓉學院，湖南常德 415000）

電廠水環真空泵運行中葉輪葉片斷裂，通過對斷裂面宏觀檢查及葉片化學成分和受力狀況分析，認為連接葉輪葉片與分隔板間的焊縫形成應力集中。葉片在汽蝕工況運行中長期處于交替載荷作用，在焊縫焊趾處形成裂紋源是導致葉片疲勞斷裂的主要原因。對斷裂葉片焊接修復，給出焊接工藝。

火電廠；真空泵；葉片斷裂；原因分析；焊接修復

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.12.17

0 引言

某火電廠2×600 MW超臨界機組凝汽器抽真空水環真空泵于2008年投運，正常運行時單臺機組一運兩備，型號為2BE1403，轉速497 r/min，電機功率 185 kW。2015年2#機水環真空泵在運行過程中突然出現故障，解體發現葉輪葉片存在四處裂紋，其中一處葉片已經完全斷裂脫落。綜合考慮決定將葉片裂紋缺陷進行修復處理，使修復后的葉輪達到原設備的使用性能。

1 設備概況

火電廠水環真空泵主要用于抽吸凝汽器中不凝結氣體，維持凝汽器真空，工作介質為除鹽水。泵軸葉輪為鑄造316不銹鋼材料，由分隔板將葉輪葉片隔成對稱的2個區域，葉片是板材加工而成，規格為420mm×225mm×9mm，單側16片，整體呈弧形，與軸體及兩側端面焊接，葉片間外弧側間距135mm，內弧側間距80mm。機組運行時真空泵長期工作，葉片多次出現裂紋，但未徹底解決，不僅造成檢修維護和更換等費用的增加，而且嚴重影響機組穩定運行。

2 葉片裂紋情況及損壞原因分析

解體水環真空泵檢查，共發現葉輪4塊葉片存在裂紋，一處已完全斷裂脫落、一處裂紋延伸較長、另兩處有補焊痕跡，但沿補焊處又出現新的裂紋，根據裂紋情況，對產生裂紋原因進行分析。

（1）宏觀檢查葉片表面光滑，整個葉輪無碰磨痕跡，說明葉片沒有受到異物撞擊，4處裂紋啟裂部位完全相同，啟裂處有殘存銹跡，裂紋源均在葉輪葉片周向最外端與分隔板連接焊縫焊趾處，裂紋從葉片外側端部焊縫焊趾處開裂并向葉片芯部延伸再轉向葉片外沿擴展（圖1）。

（2）對葉輪葉片進行光譜分析，測試結果見表1，各元素符合GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學成分》中編號S31608（TP316）的化學成分含量[1]，符合泵體材料設計要求。

（3）對脫落葉片部位進行表面著色檢測，發現在脫落葉片尖端處存在4條裂紋向葉片內部延伸（圖2），對其他葉片焊縫進行檢測，發現部分葉片最外端在焊縫焊趾處存在約0.5mm深焊接咬邊，且個別咬邊部位已經出現輕微裂紋，這些焊縫咬邊在疲勞載荷下易形成裂紋源。

表1 TP316不銹鋼葉片化學成分分析結果

（4）結合運行工況對葉片損傷部位檢測并綜合分析，得出葉片斷裂的主要有3個原因。①泵在工作時，液體汽化產生氣泡至氣泡破裂，過流部件受到腐蝕損壞。這種汽蝕工況對泵的運行產生影響，泵汽蝕時，由于氣泡的突然破裂產生噪聲與振動，振動又會促使空泡發生與潰滅，兩者相互作用引起汽蝕共振。空泡破滅時產生的高壓力，頻繁地打擊過流部件，使材料產生疲勞[2]。②泵在高真空狀態下的葉輪高速旋轉，葉輪各部位膨脹量不等，弧形葉片各個方向受力狀況不同，葉片形態隨著受力呈現交替往復變化從而形成持久的交變載荷[3]。③葉輪分隔板與葉片間采用焊接方法連接，焊縫處焊接殘余應力集中、焊趾處又存在咬邊現象形成裂紋源，在持久的疲勞載荷條件下形成的微裂紋逐步擴展延伸，最終葉片在多種因素共同作用下加速疲勞而導致完全開裂。

圖1 葉片裂紋延伸方向

圖2 斷裂葉片形貌

3 修復工藝、缺陷處理及裝配

（1）葉片材料為TP316奧氏體不銹鋼，具有良好的塑性、韌性、焊接性和耐腐蝕性能。依照母材特點與修復質量要求，綜合分析決定采用手工電弧焊修復工藝對斷裂葉片進行補焊處理，選擇同類型焊接材料E316-16焊條作為填充材料。因TP316不銹鋼熱膨脹系數較大、熱導率低，焊接時容易產生較大焊接應力導致焊接變形，需布置好焊接順序，嚴格控制層間溫度，防止產生晶間腐蝕，避開不銹鋼敏化溫度450～800℃。

（2）將葉片開裂部位用機械方法把裂紋徹底清除，已經開裂但未脫落的另一葉片采用機械切割方法將其全部切掉進行修磨，所有斷裂邊緣處采用不銹鋼專用磨片加工成X形坡口，修磨鈍邊至1mm、坡口角30°，間隙（1.5～2）mm，將待焊葉片調整至正確位置與原葉片保持相同形狀與線性再進行3點定位焊。

4 焊接工藝

（1）葉片焊接前將待焊區清理修磨干凈，坡口母材內、外壁污物用丙酮清洗，焊接過程中使用不銹鋼鋼絲刷或專用不銹鋼磨片清理焊渣或夾雜物。

（2）正確安排焊接層、道間先后順序，合理設計焊接接頭，層道間接頭錯開，每層施焊方向與前一層相反，以此方法嚴格控制葉片變形。

（3）焊前將焊條烘烤并放在保溫桶內隨用隨取，焊接時采用小參數，手工電弧焊工藝，焊條型號E316-16，焊條直徑2.5mm，電流（60～65）A 電壓（20～21）V 焊速（11～14）cm/min。快速、短弧、雙面交叉、分段退焊法施焊。利用焊后噴水強制快冷方式降溫，避免層間溫度超溫，待前層焊縫冷卻至（40～50）℃后再焊下一層[4]，每層焊縫厚度＜2mm，收弧時形成緩坡形狀，引弧熄弧在坡口內完成，熄弧時填滿弧坑，防止弧坑裂紋產生。

5 檢驗

焊接完畢后用角磨機將焊縫打磨光潔平整，對葉片修復部位進行宏觀檢查，葉片無變形、無折口錯口，表面形狀與原葉片線性一致，測量葉片間距與原始尺寸相符。對焊接修復部位進行無損表面著色探傷檢測，無表面裂紋、電弧擦傷、咬邊、夾渣等（圖 3）。

6 結語

凝汽器水環真空泵葉片裂紋的成功處理，不僅可消除設備重大隱患、節省維護成本，也為火電廠解決同類型問題積累了經驗。

圖3 修復檢驗后的葉輪

［1］林介東，李正剛，等.電站金屬材料光譜分析［M］.北京：中國電力版社，2010.

［2］楊詩成，王喜魁.泵與分機-3版［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［3］馮硯廳，代小號，柯郜，等.某電廠真空泵葉輪葉片斷裂原因分析［J］. 熱加工工藝，2012，41（7）：203-204.

［4］陳祝年.焊接工程師手冊［M］.北京：機械工業出版社，2002.

TK 284.1

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〔編輯 利 文〕