阿獨線ZLM IP 530/06 泵導流器失效分析研究

張明 蓋曉鵬 張強德 杜華東

1國家管網集團西部管道有限責任公司

2長慶油田分公司技術監測中心

阿獨線是哈薩克斯坦—中國原油管道的國內部分，起自阿拉山口泵站，經托托中間泵站加壓后，止于獨山子末站；管道全長246 km，設計輸量2 000×104t/a，壓力為6.3 MPa，管徑D813 mm，密閉輸送。輸油主泵采用ZLM II 630/06 和ZLM IP 530/06泵[1]；2017年至2020年先后有4臺ZLM IP 530/06泵導流器發生失效無法運行，嚴重影響能源通道輸量。因此，針對ZLM IP 530/06 泵導流器失效機理開展分析，制定解決措施，對保障西部陸上能源通道暢通具有重要意義[2-3]。

1 導流器基本情況

ZLM IP 530/06 型泵為水平中開雙吸單級離心泵，額定排量大葉輪2 800 m3/h、小葉輪1 600 m3/h，揚程250 m，轉速2 980 r/min[4]。該泵在葉輪出口與蝸殼間設置導流器，輸送介質經葉輪加速后進入導流器被誘導至泵殼，在泵殼處將速度能轉化為壓力能，實現介質輸送；導流器作為蝸殼延伸部分，能優化流場分布和消除水力產生的徑向力。通過更換葉輪和導流器，能改變流量以滿足不同的工程輸量[5-6]。

2 失效機理分析

2.1 焊接結構分析

ZLM IP 530/06 泵導流器幾何模型見圖1。該導流器材質為熱軋結構鋼S355J2，出口側葉片采用單邊焊縫，進口側同為單邊焊縫。經測量，工作面有效焊縫長度為320 mm，背面有效焊縫長度239 mm，葉片厚度5 mm，焊角3 mm（圖2）。

圖1 導流器幾何模型Fig.1 Geometric model of diffuser

圖2 導流器葉片數據Fig.2 Data of diffuser vanes

導流器葉片焊縫開裂失效后，輸油泵產生異響，一旦葉片斷裂將堵塞流體通道，破壞平衡，并導致驅動、非驅動端振動升高，由2.9 mm/s 突變至6.00 mm/s 左右，嚴重影響泵機組平穩安全運行。由圖2 可知，導流器葉片焊接結構不合理，未采取雙面滿焊結構強化焊縫強度。

2.2 斷口宏觀分析

ZLM IP 530/06 泵導流器葉片焊縫開裂主要有兩個階段，階段一：初期葉片兩側內端面處焊縫從母材表面逐漸開裂；階段二：葉片雙側焊縫開裂到一定程度后產生貫穿性分叉裂紋，裂紋擴展導致葉片斷裂。典型導流器葉片焊縫失效照片如圖3所示。

圖3 導流器葉片焊縫失效Fig.3 Weld failure of diffuser vanes

葉片靠近內圈一端焊縫先出現開裂，裂紋沿焊趾、焊肉、基體逐漸擴展，起裂部位始于導流器基體焊趾處，起裂初始點導流器基體有微小掉塊。葉片雙側焊縫開裂擴展到一定程度后，出現分叉裂紋，開裂處的葉片呈斷裂狀態從導流器基體上脫落，斷口表面平坦光滑。裂紋源區位于葉片端部與導流器基體焊接連接尖角處，沿焊趾方向漸進擴展，焊縫及葉片表面未出現腐蝕特征，表面無腐蝕發生，排除應力腐蝕開裂因素[7]。

2.3 斷口微觀分析

采用金相顯微鏡、掃描電鏡等分析儀器，開展焊縫和斷口微區形貌、結構分析，進一步從微觀角度分析焊縫失效機理[8-9]。

2.3.1 金相分析

在導流器上葉片微裂紋、焊縫、熱影響區、母材四個典型位置取樣，采用化學侵蝕制作、顯示這四個區域金屬顯微組織，開展金相分析，結果如圖4 所示。

圖4 導流器金相組織Fig.4 Metallographic structure of diffuser

導流器葉片微裂紋呈沿晶特征，無明顯分叉（圖4a）；不同區域金相組織不同，焊縫金相組織為鐵素體、粒狀貝氏體，具有一定韌性和較高強度，不容易發生開裂[10]（圖4b）；熱影響區金相組織為貝氏體，貝氏體組織產生與焊縫焊接后控冷息息相關（圖4c）；導流器母材以鐵素體、珠光體組織為主，研究表明疲勞裂紋易萌生于鐵素體和珠光體邊界，并優先沿邊界擴展（圖4d）[11]。焊縫、熱影響區、母材組織正常，母材中的鐵素體和珠光體金相組織不利于抗開裂性。

2.3.2 掃描電鏡分析

導流器葉片上開裂斷口經丙酮清洗后，借助掃描電子顯微鏡觀察焊縫與基體間斷口微觀形貌，圖5 是不同放大倍數下200、50、20、5 μm 斷面微觀形貌。

圖5 不同放大倍數下斷口形貌Fig.5 Fracture morphology under different magnification

由圖5 可知，斷口微觀表面有明顯的摩擦擠壓痕跡，表明斷口整體摩擦擠壓較為嚴重，斷面顯示出平坦光滑和多源特征，未發現微觀剪切唇區和腐蝕特征（200 μm）。斷口部分區域表現出疲勞特征，擴展區均有疲勞條帶（50 μm）；進一步放大斷口，不同局部出現顯著的疲勞輝紋特征（20 μm 和5 μm）。斷口微觀形貌疲勞輝紋特征，表明疲勞是導致焊縫出現開裂的主要原因[12]。

2.4 流場分析

2.4.1 有限元模型和網格劃分

為模擬導流器葉片受力狀態，利用三維建模軟件UG 10.0 和有限元分析軟件ANSYS19.0 R3 建立有限元模型。將導流器及泵組幾何模型導入到ANSYS，使用ANSYS 的網格劃分工具對幾何模型進行網格劃分生成實體單元，得到可供分析的有限元模型。圖6、圖7 分別為導流器及泵組三維模型。

圖6 導流器三維模型Fig.6 3D model of diffuser

圖7 泵組三維模型Fig.7 3D model of pump set

2.4.2 內部流場模擬

應用ANSYS19.0 R3 軟件中的CFX 對泵組過流部件的流場進行計算分析，模擬工況點為：實際運行流量Q=1 860 m3/h，揚程H=240 m，轉速n=2 980 r/min，介質為清水，密度ρ=997 kg/m3。進口邊界條件為流量進口Q=795.107 5 kg/s，出口邊界條件為壓力出口，其他為壁面邊界條件，其中葉輪旋轉速度為2 980 r/min，旋轉軸為z軸。Analysis type 設置為steady state，monitor 監測過流部件靜壓分布[13-14]。泵組截面靜壓分布如圖8 所示。

圖8 泵組截面靜壓分布Fig.8 Static pressure distribution of pump set

從圖8 可知，在葉輪流道內，葉片對流體做功，靜壓值從葉輪進口到出口逐漸增大，在同一半徑處葉片工作面上的靜壓值明顯高于背面的靜壓值，在葉片出口明顯可見由葉片厚度而產生的尾跡。導流器最先接觸流體的內圈葉片，承受靜壓最大達到2.864 MPa，這會造成葉片上角焊縫靠內圈一端焊趾處應力集中明顯，工作應力較大，在流體持續沖擊震蕩下從而成為疲勞源轉化為起裂源區。

3 結論

（1）導流器葉片焊縫斷口出現顯著疲勞輝紋特征，疲勞是導致焊縫出現開裂的主要原因，未發生應力腐蝕開裂。葉片焊縫為單側焊接結構，未雙面滿焊，強度有所不足；在流體沖擊下內側葉片角焊縫靠內圈一端焊趾處應力集中成為疲勞源，疲勞裂紋萌生于基體金相組織鐵素體和珠光體邊界，內圈焊趾處形成裂紋并擴展最終導致葉片斷裂，導流器失效。

（2）導流器材料建議選用金相組織和性能優于熱軋結構鋼S355J2 的雙相不銹鋼；優化導流器葉片焊接結構，葉片兩側采用雙面滿焊焊接方式強化焊縫強度；開展流場模擬計算，適當增大焊角和導流器葉片厚度以增強焊縫強度。