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，四川石化公司生產六部橡膠裝置后處理熱水泵（P-3001E）葉輪的后蓋板發生斷裂，如圖1 所示。順丁橡膠裝置熱水泵P-3001E 送來的循環熱水分為兩個部分，一部分熱水進入熱泵吸收器A-2201-E4 被加熱至105 ℃左右后，再進入凝聚釜。此次失效彎頭所在流程：熱水泵P-3001E 循環熱水跨熱泵機組，直接進入相應的凝聚釜頂噴淋。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 個流道（葉片）構成，為閉式葉輪。熱水泵葉輪后蓋板的局部處發生斷裂。宏觀看，裂紋大多起源于熱水泵葉輪后蓋板的內壁表面，少數起源于葉輪后蓋板的外壁表面。

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

在葉輪后蓋板內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 等標準，使用光譜儀等，對其材料進行化學分析。結果表明，葉輪材料成分基本符合304 不銹鋼的標準要求（表2）。

2.3 金相檢驗

取葉輪后蓋板斷口處樣品，進行預磨和拋光等處理，進行低倍金相組織檢驗。在葉輪后蓋板斷口處內壁有鑄造缺陷存在，有裂紋產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分布的少量鐵素體。從斷裂葉輪上取金相樣品，經預磨、拋光、腐刻后，在顯微鏡下觀察分析。葉輪母材為鑄態，其金相組織為奧氏體基體上有呈枝晶態分布的少量鐵素體[1]。

表2 葉輪材料化學分析 wt%

2.4 電鏡及能譜分析

使用掃描電鏡，對葉輪斷口進行形貌觀察和元素成分能譜分析。在葉輪斷口的裂紋源區，斷口較陳舊，斷口上附著有氧化物，致使斷口細節的清晰度較差，疲勞“輝紋線”不甚清晰。在葉輪斷口的裂紋擴展區，存在大量疲勞“輝紋線”，與裂紋擴展方向垂直；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理化檢驗分析，認為熱水泵葉輪的斷裂主要與其受力狀況、葉輪制造質量及結構等因素有關。有關研究表明[2]，葉輪的應力在前、后蓋板的分布是不同的，葉輪的周向應力大于徑向應力，即圓周方向的應力是主要的，最大的圓周應力位于后蓋板與葉輪輪轂處。前面對葉輪斷口的分析，確認了裂紋源基本都在應力最集中處。

熱水泵葉輪后蓋板內外壁表面的狀態也有差異，后蓋板外壁表面較光滑，后蓋板內壁表面較為粗糙。不僅有機加工刀痕，還存在許多鑄造缺陷（孔洞、疏松等），這些地方易于產生局部應力集中，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，會產生應力腐蝕。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。在拉伸應力作用下，鈍化膜被破壞的區域就會產生裂紋，成為腐蝕電池的陽極區，連續不斷的電化學腐蝕最終可能導致金屬的斷裂。這種腐蝕與氯離子、氟離子的濃度關系不大，即使是微量的氯離子、氟離子，也可能產生應力腐蝕。

一般氯離子腐蝕通常發生在焊接接頭處。焊縫熱影響區焊接過程中遭受敏化，產生晶間腐蝕，裂紋源起源于點蝕坑，導致晶間應力腐蝕開裂。橡膠裝置中，氯離子主要來源于鍋爐水環境，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，有必要采取相應措施，解決設備管線開裂問題。前面對葉輪斷口處后蓋板內壁的分析，確認裂紋正是起源于這些地方。

這樣，當熱水泵葉輪高速旋轉運行時，會有很強的疲勞載荷作用在葉輪上，葉輪后蓋板受到的應力最大，最容易在葉輪后蓋板應力集中，且由于強度相對較低，若存在鑄造缺陷，則更易導致葉輪疲勞裂紋；一旦疲勞裂紋產生，在交變應力作用下，就會不斷地擴展，直至造成葉輪的疲勞斷裂失效。

4 結論

（1）葉輪材料為304 不銹鋼。

（2）葉輪金相組織為鑄態奧氏體+晶間少量鐵素體。

（3）葉輪中（尤其的后蓋板內壁）含有大量的鑄造缺陷。當葉輪工作時，這些鑄造缺陷在交變載荷作用下，在葉輪后蓋板局部區域形成嚴重的應力集中，產生疲勞裂紋。隨著疲勞裂紋不斷擴展，最終造成葉輪的疲勞斷裂。

5 建議

提高葉輪鑄造質量，增加無損探傷檢驗。在設備運行前，應確定動平衡校驗合格，以減小葉輪運行中所受到的交變載荷。