真空泵葉輪失效原因分析與焊接修復

■ 束東，姚祥宏，毛全生

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1. 概述

2017年10月，某電廠5#機組A級檢修，在解體檢查真空泵時發現葉輪根部有五六處汽蝕痕跡（見圖1），其中最大處長約120mm，最深處約10mm；葉輪存在七八處裂紋缺陷，幾處裂紋已經穿透，如圖2所示。

該電廠5#機組真空泵生產廠家為納西姆工業（中國）有限公司，型號為NASH TC-II。真空泵葉輪的材質為QT500-7，屬于球墨鑄鐵，其化學成分如表1所示，力學性能如表2所示。

QT500-7中的C與S、P雜質元素含量較高，造成強度低、塑性差，在真空泵葉輪制造過程中可能會在內部出現縮孔、疏松、沙眼等缺陷。一旦真空泵葉輪出現裂紋，若是采用更換的方式，會使成本增加。但采取焊接方法修復，在焊接修復過程中易形成白口組織及裂紋缺陷，這就要求制定效果更好的焊接修復方案，為此增加了修復難度。

圖1 葉輪根部汽蝕痕跡

圖2 葉輪穿透裂紋

表1 球墨鑄鐵QT500-7化學成分（質量分數） （%）

表2 球墨鑄鐵QT500-7力學性能

2. 缺陷原因分析

通過對本次檢修中真空泵葉輪產生的兩種缺陷進行宏觀檢測，并根據真空泵具體運行工況對缺陷產生原因進行了分析。

（1）葉輪加強筋根部缺陷為汽蝕造成 當葉輪旋轉時，水被葉輪拋向四周，由于離心力作用，水形成了一個決定于泵腔形狀的近似于等厚度的封閉圓環。長期在這種工況下，葉輪表面受到局部的“水錘”現象，汽水撞擊葉輪，葉片受到反復高頻率、高負荷的撞擊作用力，葉輪所受、應力遠遠超過了它本身的疲勞強度，使得葉輪表面質點由韌性轉為脆性，產生疲勞，使得金屬葉輪屈服點降低。當汽水錘擊壓力大于屈服點時，金屬開始脫落，產生麻點，以致嚴重時形成孔洞；真空泵工作時，工作環境產生變化，實際工況與設計工況不符，同時真空泵設計有效汽蝕余量不足，均會在葉輪表面產生腐蝕孔洞。基于上述分析，以上兩種情況均會造成汽蝕。

（2）葉輪穿透裂紋為表面鑄造缺陷造成 通過檢查，不僅發現葉輪表面存在多處鑄造氣孔及夾渣，而且表面粗糙，說明該葉輪的鑄造工藝較差。在運行工況中，鑄造缺陷處在真空泵運行中受到循環往復激振力的作用，在表面氣孔、夾渣多處因產生應力集中而導致疲勞裂紋，最終形成穿透型裂紋。

真空泵一旦產生缺陷后，使得真空泵揚程降低，性能急劇下降，同時振動和噪聲增大，影響穩定性。若不及時處理裂紋及腐蝕缺陷，對泵的安全運行構成威脅，甚至在后期運行中缺陷范圍擴大造成疲勞斷裂，嚴重時引發事故，因此需對真空泵進行修復處理。

3. 焊接修復方案

（1）球墨鑄鐵修復時存在的主要問題 球墨鑄鐵碳、硫及磷含量高，強度低，塑性差。在焊接修復球墨鑄鐵材料時，碳、硅元素等促進石墨化元素大量燒損，且冷卻速度快，導致焊縫區域石墨化進程來不及進行而產生白口組織。在熱影響區及熔合線附近易產生馬氏體淬硬組織，導致該區域硬度高，后續加工難度增大。白口組織、馬氏體淬硬組織及焊接拘束應力都是極易造成焊接裂紋的原因。

針對焊接修復球墨鑄鐵材料容易產生裂紋的問題，主要采取以下措施：①選用合適的焊接材料，如異質焊條。②選用合適的焊接方法，如焊條電弧焊、氣焊及氣保焊等。③制定合理的焊接修復工藝和采取相關操作措施來保證修復質量。

（2）本葉輪修復時方案的選擇 為保證在焊接修復時，避免出現白口組織、淬硬組織導致裂紋缺陷，同時保證焊接接頭的性能需求與母材匹配，選用美國產萬能M777B高強度焊條，其化學成分如表3所示，力學性能如表4所示。M777B是以鎳鐵合金為焊芯的鑄鐵焊條，該焊條操作方便以及焊后加工性能好，主要用于焊接及維修各種鑄鐵。還可用于鑄鐵和鋼的異種焊接，焊縫強度高、塑形好、具有抗裂性，常用于厚度較大的灰口鑄鐵及球墨鑄鐵的焊接，以及工程級純度鑄鐵的焊補。焊接時，交流直流均可采用。

焊接方法采用電弧冷焊，焊前不需預熱，這樣不僅解決了修復時難以預熱的問題，也簡化修復工藝。

焊前準備：一是將葉輪表面清理干凈，用滲透方法檢測裂紋方向及裂紋長度；二是在裂紋末稍打止裂孔；三是用金屬旋轉電動銼刀對裂紋進行開挖，直到裂紋挖凈為止，最后形成X形坡口，如圖3所示。

焊接及焊后檢測：采用手工焊，焊條焊前經150℃恒溫1h，烘焙后隨用隨取，保溫桶存放，焊接參數如表5所示。具體施焊工藝：一是采用短段、斷續焊小電流快速焊（焊后馬上用電錘在焊縫區域進行去應力錘擊）；二是焊接修復過程中嚴格控制層間溫度，層間溫度為100~150℃；三是修復結束對焊縫余高部分打磨至與葉輪表面齊平，并經滲透檢驗無裂紋即為修復合格，如圖4所示。

4. 結語

通過對5#機組真空泵葉輪裂紋處理，消除了電廠設備的重大隱患，運行后泵體振動明顯改善，真空泵運行平穩，抽吸能力強，泵電機電流正常，進一步提高了設備的安全性。而更換一臺真空泵轉子需要花費十余萬元，此次修復真空泵葉輪給電廠帶來了時間和經濟效益，對以后處理真空泵葉輪類似缺陷積累了一定的經驗。

表3 萬能M777焊條的化學成分（質量分數） （%）

表4 萬能M777焊條的力學性能

表5 焊接參數

圖3 挖補及制作坡口

圖4 修復完成