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)
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
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。
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。
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
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)
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。
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。
(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。