史海燕，史曉琦

（1.內(nèi)蒙古華潤磴口金牛煤電有限公司，內(nèi)蒙古磴口 015200； 2.湖南文理學(xué)院芙蓉學(xué)院，湖南常德 415000）

火電廠水環(huán)真空泵葉片斷裂原因分析及修復(fù)

史海燕1，史曉琦2

（1.內(nèi)蒙古華潤磴口金牛煤電有限公司，內(nèi)蒙古磴口 015200； 2.湖南文理學(xué)院芙蓉學(xué)院，湖南常德 415000）

電廠水環(huán)真空泵運行中葉輪葉片斷裂，通過對斷裂面宏觀檢查及葉片化學(xué)成分和受力狀況分析，認為連接葉輪葉片與分隔板間的焊縫形成應(yīng)力集中。葉片在汽蝕工況運行中長期處于交替載荷作用，在焊縫焊趾處形成裂紋源是導(dǎo)致葉片疲勞斷裂的主要原因。對斷裂葉片焊接修復(fù)，給出焊接工藝。

火電廠；真空泵；葉片斷裂；原因分析；焊接修復(fù)

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.12.17

0 引言

某火電廠2×600 MW超臨界機組凝汽器抽真空水環(huán)真空泵于2008年投運，正常運行時單臺機組一運兩備，型號為2BE1403，轉(zhuǎn)速497 r/min，電機功率 185 kW。2015年2#機水環(huán)真空泵在運行過程中突然出現(xiàn)故障，解體發(fā)現(xiàn)葉輪葉片存在四處裂紋，其中一處葉片已經(jīng)完全斷裂脫落。綜合考慮決定將葉片裂紋缺陷進行修復(fù)處理，使修復(fù)后的葉輪達到原設(shè)備的使用性能。

1 設(shè)備概況

火電廠水環(huán)真空泵主要用于抽吸凝汽器中不凝結(jié)氣體，維持凝汽器真空，工作介質(zhì)為除鹽水。泵軸葉輪為鑄造316不銹鋼材料，由分隔板將葉輪葉片隔成對稱的2個區(qū)域，葉片是板材加工而成，規(guī)格為420mm×225mm×9mm，單側(cè)16片，整體呈弧形，與軸體及兩側(cè)端面焊接，葉片間外弧側(cè)間距135mm，內(nèi)弧側(cè)間距80mm。機組運行時真空泵長期工作，葉片多次出現(xiàn)裂紋，但未徹底解決，不僅造成檢修維護和更換等費用的增加，而且嚴重影響機組穩(wěn)定運行。

2 葉片裂紋情況及損壞原因分析

解體水環(huán)真空泵檢查，共發(fā)現(xiàn)葉輪4塊葉片存在裂紋，一處已完全斷裂脫落、一處裂紋延伸較長、另兩處有補焊痕跡，但沿補焊處又出現(xiàn)新的裂紋，根據(jù)裂紋情況，對產(chǎn)生裂紋原因進行分析。

（1）宏觀檢查葉片表面光滑，整個葉輪無碰磨痕跡，說明葉片沒有受到異物撞擊，4處裂紋啟裂部位完全相同，啟裂處有殘存銹跡，裂紋源均在葉輪葉片周向最外端與分隔板連接焊縫焊趾處，裂紋從葉片外側(cè)端部焊縫焊趾處開裂并向葉片芯部延伸再轉(zhuǎn)向葉片外沿擴展（圖1）。

（2）對葉輪葉片進行光譜分析，測試結(jié)果見表1，各元素符合GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學(xué)成分》中編號S31608（TP316）的化學(xué)成分含量[1]，符合泵體材料設(shè)計要求。

（3）對脫落葉片部位進行表面著色檢測，發(fā)現(xiàn)在脫落葉片尖端處存在4條裂紋向葉片內(nèi)部延伸（圖2），對其他葉片焊縫進行檢測，發(fā)現(xiàn)部分葉片最外端在焊縫焊趾處存在約0.5mm深焊接咬邊，且個別咬邊部位已經(jīng)出現(xiàn)輕微裂紋，這些焊縫咬邊在疲勞載荷下易形成裂紋源。

表1 TP316不銹鋼葉片化學(xué)成分分析結(jié)果

（4）結(jié)合運行工況對葉片損傷部位檢測并綜合分析，得出葉片斷裂的主要有3個原因。①泵在工作時，液體汽化產(chǎn)生氣泡至氣泡破裂，過流部件受到腐蝕損壞。這種汽蝕工況對泵的運行產(chǎn)生影響，泵汽蝕時，由于氣泡的突然破裂產(chǎn)生噪聲與振動，振動又會促使空泡發(fā)生與潰滅，兩者相互作用引起汽蝕共振。空泡破滅時產(chǎn)生的高壓力，頻繁地打擊過流部件，使材料產(chǎn)生疲勞[2]。②泵在高真空狀態(tài)下的葉輪高速旋轉(zhuǎn)，葉輪各部位膨脹量不等，弧形葉片各個方向受力狀況不同，葉片形態(tài)隨著受力呈現(xiàn)交替往復(fù)變化從而形成持久的交變載荷[3]。③葉輪分隔板與葉片間采用焊接方法連接，焊縫處焊接殘余應(yīng)力集中、焊趾處又存在咬邊現(xiàn)象形成裂紋源，在持久的疲勞載荷條件下形成的微裂紋逐步擴展延伸，最終葉片在多種因素共同作用下加速疲勞而導(dǎo)致完全開裂。

圖1 葉片裂紋延伸方向

圖2 斷裂葉片形貌

3 修復(fù)工藝、缺陷處理及裝配

（1）葉片材料為TP316奧氏體不銹鋼，具有良好的塑性、韌性、焊接性和耐腐蝕性能。依照母材特點與修復(fù)質(zhì)量要求，綜合分析決定采用手工電弧焊修復(fù)工藝對斷裂葉片進行補焊處理，選擇同類型焊接材料E316-16焊條作為填充材料。因TP316不銹鋼熱膨脹系數(shù)較大、熱導(dǎo)率低，焊接時容易產(chǎn)生較大焊接應(yīng)力導(dǎo)致焊接變形，需布置好焊接順序，嚴格控制層間溫度，防止產(chǎn)生晶間腐蝕，避開不銹鋼敏化溫度450～800℃。

（2）將葉片開裂部位用機械方法把裂紋徹底清除，已經(jīng)開裂但未脫落的另一葉片采用機械切割方法將其全部切掉進行修磨，所有斷裂邊緣處采用不銹鋼專用磨片加工成X形坡口，修磨鈍邊至1mm、坡口角30°，間隙（1.5～2）mm，將待焊葉片調(diào)整至正確位置與原葉片保持相同形狀與線性再進行3點定位焊。

4 焊接工藝

（1）葉片焊接前將待焊區(qū)清理修磨干凈，坡口母材內(nèi)、外壁污物用丙酮清洗，焊接過程中使用不銹鋼鋼絲刷或?qū)Ｓ貌讳P鋼磨片清理焊渣或夾雜物。

（2）正確安排焊接層、道間先后順序，合理設(shè)計焊接接頭，層道間接頭錯開，每層施焊方向與前一層相反，以此方法嚴格控制葉片變形。

（3）焊前將焊條烘烤并放在保溫桶內(nèi)隨用隨取，焊接時采用小參數(shù)，手工電弧焊工藝，焊條型號E316-16，焊條直徑2.5mm，電流（60～65）A 電壓（20～21）V 焊速（11～14）cm/min?？焖佟⒍袒?、雙面交叉、分段退焊法施焊。利用焊后噴水強制快冷方式降溫，避免層間溫度超溫，待前層焊縫冷卻至（40～50）℃后再焊下一層[4]，每層焊縫厚度＜2mm，收弧時形成緩坡形狀，引弧熄弧在坡口內(nèi)完成，熄弧時填滿弧坑，防止弧坑裂紋產(chǎn)生。

5 檢驗

焊接完畢后用角磨機將焊縫打磨光潔平整，對葉片修復(fù)部位進行宏觀檢查，葉片無變形、無折口錯口，表面形狀與原葉片線性一致，測量葉片間距與原始尺寸相符。對焊接修復(fù)部位進行無損表面著色探傷檢測，無表面裂紋、電弧擦傷、咬邊、夾渣等（圖 3）。

6 結(jié)語

凝汽器水環(huán)真空泵葉片裂紋的成功處理，不僅可消除設(shè)備重大隱患、節(jié)省維護成本，也為火電廠解決同類型問題積累了經(jīng)驗。

圖3 修復(fù)檢驗后的葉輪

［1］林介東，李正剛，等.電站金屬材料光譜分析［M］.北京：中國電力版社，2010.

［2］楊詩成，王喜魁.泵與分機-3版［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［3］馮硯廳，代小號，柯郜，等.某電廠真空泵葉輪葉片斷裂原因分析［J］. 熱加工工藝，2012，41（7）：203-204.

［4］陳祝年.焊接工程師手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

TK 284.1

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〔編輯 利 文〕