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        304不銹鋼葉輪后蓋板疲勞斷裂原因分析

        2021-07-12 01:09:34黃景峰張久峰呼立紅李曉鵬
        石油化工腐蝕與防護 2021年3期
        關鍵詞:內壁蓋板斷口

        黃景峰,鮑 炎,張久峰,呼立紅,李曉鵬

        (1.沈陽中科韋爾腐蝕控制技術有限公司,遼寧 沈陽 110180;2.中國石油撫順石化分公司,遼寧 撫順 113004)

        1 熱水泵葉輪蓋板斷裂基本概況

        某廠橡膠裝置后處理熱水泵 (P-3001),介質為98 ℃熱水,葉輪材質為304不銹鋼,已運行5 a。2018年12月葉輪的后蓋板發(fā)生了斷裂,泵中葉輪表面尚可看見機械加工的刀痕,未見明顯的腐蝕跡象。外觀形貌見圖1。

        對泵中熱水進行采樣分析,分析結果見表1。

        圖1 斷裂的葉輪蓋板

        表1 熱水采樣分析

        2 失效分析

        2.1 宏觀形貌觀察

        熱水泵的葉輪是由前、后蓋板和四個流道(葉片)構成,為閉式葉輪。使用過程中,熱水泵葉輪后蓋板發(fā)生了斷裂,對葉輪后蓋板斷塊表面及斷口進行觀察,宏觀形貌見圖2。通過觀察,葉輪表面未見明顯腐蝕(點蝕或應力腐蝕),由于受到碰撞,葉輪斷口上的大部分區(qū)域被破壞,僅有少部分區(qū)域斷口保持原貌。宏觀觀察發(fā)現,裂紋起源于葉輪后蓋板的內、外壁表面,其中內壁表面觀察到的裂紋源數量相對比外壁表面多。斷口上可見“輝紋狀”的疲勞弧線,表明葉輪的斷裂為多源疲勞斷裂,見圖3到圖4。

        進一步觀察發(fā)現,在葉輪后蓋板內壁斷口的裂紋源的附近,可見大量的鑄造缺陷(孔洞和疏松等)。由此推斷,葉輪斷口的裂紋源主要在這些鑄造缺陷處,缺陷處形貌見圖5。

        2.2 材質分析

        從送檢葉輪上取樣,依照標準GB/T 16597—1996,使用光譜儀等對其材質進行化學成分分析(見表2)。由表2可以看出,葉輪的化學成分符合304不銹鋼的標準要求。

        2.3 金相檢驗

        在葉輪后蓋板斷口處取樣,經預磨、拋光等處理,觀察金相組織,見圖6。由圖6可以看出,在葉輪后蓋板斷口處內壁有鑄造缺陷存在,裂紋產生于這些鑄造缺陷處,其顯微組織為奧氏體基體上有呈枝晶態(tài)分布的少量鐵素體,見圖7。

        圖2 葉輪蓋板的宏觀形貌

        圖3 葉輪蓋板的斷裂面宏觀形貌

        圖4 葉輪蓋板的低倍形貌

        圖5 葉輪蓋板和鑄造缺陷的低倍形貌

        表2 葉輪的化學成分分析w,%

        圖6 葉輪蓋板的拋光態(tài)組織

        圖7 葉輪蓋板的金相組織

        從斷裂葉輪上取樣,經預磨、拋光和腐刻后,在顯微鏡下觀察分析。

        葉輪母材顯微組織見圖8。由圖8可見,葉輪母材為鑄態(tài),其金相組織為奧氏體基體上存在枝晶態(tài)分布的少量鐵素體,與斷口處顯微組織一致[1]。

        圖8 葉輪母材的金相組織

        2.4 掃描電鏡微觀形貌觀察

        用掃描電鏡(SEM)對葉輪斷口形貌進行觀察,分析區(qū)域見圖9。

        葉輪斷口裂紋源區(qū)的SEM分析(圖9中a處)發(fā)現,在葉輪斷口的裂紋源區(qū),斷口較陳舊,斷口上有氧化物附著,致使斷口的清晰度較差,疲勞“輝紋線”不甚清晰(見圖10)。

        葉輪斷口裂紋擴展區(qū)的SEM分析(圖9中b處)發(fā)現,在葉輪斷口的裂紋擴展區(qū),可見大量的疲勞“輝紋線”,與裂紋擴展方向垂直(見圖11)。

        圖9 葉輪斷口掃描電鏡分析區(qū)域

        圖10 葉輪斷口裂紋源區(qū)的SEM分析(圖9中a處)

        圖11 葉輪斷口裂紋擴展區(qū)的SEM分析(圖9中b處)

        2.5 斷口能譜分析(EDS)

        斷口裂紋擴展區(qū)域(圖9中b處)EDS分析結果見表3。由表3可知,斷口表面除氧元素外,斷口裂紋擴展區(qū)其他腐蝕性元素均未檢出,可以認為斷口僅發(fā)生了氧化反應。

        3 分析與討論

        葉輪是熱水泵內部的關鍵過流部件,是熱水泵能量轉換的核心部件,也是運行過程中最容易破壞的部件。葉輪的可靠性對整個系統(tǒng)的安全運行至關重要。

        表3 葉輪斷口裂紋擴展區(qū)EDS分析(圖9中b處)

        對熱水泵斷裂葉輪后蓋板進行多項理化檢驗分析后,認為熱水泵葉輪后蓋板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。

        熱水泵葉輪為鑄造成型的304不銹鋼閉式葉輪,其葉片與前、后蓋板連為一體。當熱水泵工作時葉輪旋轉,在葉輪上的不同部位所受到的應力大小不同。有關研究表明[2],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,最大的周向應力位于后蓋板與葉輪輪轂處。對葉輪斷口的分析表明,大多數裂紋源在應力集中處。

        通過宏觀觀察發(fā)現,熱水泵葉輪后蓋板內外壁表面狀態(tài)也存在差異。其中,后蓋板外壁表面較光滑,而后蓋板內壁表面較為粗糙,不僅存在明顯機加工刀痕,還存在許多鑄造缺陷(孔洞、疏松等)存在。在外力作用下,這些缺陷部位產生局部應力集中易萌生疲勞裂紋[3]。另外,葉輪后蓋板的壁厚不均勻,其壁厚較薄的部位相對強度較低,其抗疲勞強度也低。由于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,因而在葉輪后蓋板鑄造缺陷處易發(fā)生局部應力集中,導致疲勞裂紋在這些缺陷處萌生。一旦疲勞裂紋產生,在交變應力的作用下,就會不斷擴展,直至造成葉輪疲勞斷裂而失效。

        4 結論和建議

        (1)葉輪的材質為304不銹鋼。

        (2)葉輪的金相組織為鑄態(tài)奧氏體+晶間少量鐵素體。

        (3)葉輪中(尤其是后蓋板內壁)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的作用下,在葉輪后蓋板局部區(qū)域形成嚴重的應力集中而產生疲勞裂紋,隨著疲勞裂紋不斷擴展,最終造成葉輪的疲勞斷裂。

        (4)建議提高葉輪的鑄造質量,并定期進行無損探傷。在設備運行前,應確保動平衡校驗合格,以降低葉輪運行中所受到的交變載荷。

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