農(nóng)業(yè)用離心泵葉輪故障原因分析

施寶海

（海南省鍋爐壓力容器與特種設(shè)備檢驗(yàn)所，?？?570100）

本文以2015 年9 月底某農(nóng)場的一臺水泵葉輪發(fā)生斷裂為例，研究了離心泵葉輪斷裂失效的原因。該水泵類型為離心泵，泵內(nèi)介質(zhì)為灌溉水，其正常流量為311.6～318.0 m3?h-1，操作溫度為30 ℃，水泵入口壓強(qiáng)為0.050 7 MPaG，出口壓強(qiáng)為34.5 MPaG，揚(yáng)程為3 515.13～3 587.00 m，泵軸功率為4 344 kW，規(guī)格型號為ADD6×12，泵殼體材質(zhì)為C-6，泵葉輪直徑為374 mm，為閉式葉輪，其材質(zhì)為GX4CrNi13-4（1.431 7）不銹鋼。

1 理化分析

1.1 葉輪宏觀、低倍分析

經(jīng)檢查，葉輪前蓋板完好，后蓋板外表面上有大量密集的點(diǎn)蝕坑存在，如圖1 所示。葉輪后蓋板有局部破損，在葉輪邊緣處有部分缺失，形成一個(gè)斷口，并有裂紋與斷口相連，且后蓋板外表面上也有大量密集的點(diǎn)蝕坑存在。另外，葉輪的葉片表面及流道上未見有明顯的沖刷減薄和空蝕破壞痕跡，仍保持著粗糙的鑄態(tài)表面，只是有些銹蝕點(diǎn)存在，如圖2 所示。

圖1 水泵葉輪形貌

圖2 水泵葉輪腐蝕形貌

葉輪后蓋板上的斷口處，未見有明顯的塑性變形，為脆性斷裂。觀察葉輪發(fā)現(xiàn)，葉片與后蓋板成直角相連，且連接處的圓角很小。通過觀察該斷口，確認(rèn)裂紋起源于葉片出口與后蓋板的交接處，并由此向葉輪后蓋板內(nèi)擴(kuò)展，最終造成葉輪后蓋板的斷裂破損。另外，在葉輪后蓋板的斷口上，可見裂紋擴(kuò)展形成的弧線具有疲勞斷裂的特征。

該葉輪有5 個(gè)葉片，斷裂只發(fā)生在其中一個(gè)葉片出口與后蓋板的交接處。通過觀察，發(fā)現(xiàn)葉輪的另外4 個(gè)葉片出口與后蓋板的交接處都存在著大小不等且走向與已斷部位裂紋走向相同的裂紋。由此可見，葉輪的5 個(gè)葉片出口與后蓋板交接處，都已發(fā)生了斷裂（裂紋是局部斷裂），只是其中一條擴(kuò)展最快的裂紋形成了斷口。

在葉輪斷口上有裂紋處局部切割取樣，得到的這部分?jǐn)嗫谏嫌忻黠@的凸凹臺階。觀察確認(rèn)并清洗斷口后發(fā)現(xiàn)，凸凹臺階的產(chǎn)生是由于該處斷裂時(shí)，葉輪的后蓋板內(nèi)、外表面上都有疲勞裂紋產(chǎn)生，均可明顯地看到“海灘線”條紋的存在，見圖3。其中，葉輪后蓋板外表面的點(diǎn)蝕坑為疲勞裂紋源，而由于葉輪后蓋板內(nèi)表面較粗糙（鑄態(tài)），尚難以確定疲勞裂紋源的產(chǎn)生是否也在點(diǎn)蝕坑或其他鑄造缺陷處。由此可見，葉輪的疲勞斷裂除主要受葉片出口與后蓋板交接處的嚴(yán)重應(yīng)力集中影響外，葉輪前、后蓋板表面的點(diǎn)蝕坑及鑄造缺陷也均可導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，只是各處所起的作用大小不同[1]。

圖3 斷口形貌

1.2 葉輪材質(zhì)分析

根據(jù)上述斷裂特點(diǎn)，在葉輪上取塊狀樣品，并依據(jù)GB/T 23942—2009 等標(biāo)準(zhǔn)，使用電感耦合等離子體（Inductively coupled plasma，ICP）光譜儀對其材質(zhì)進(jìn)行化學(xué)分析。結(jié)果表明，葉輪材質(zhì)不符合GX4CrNi13-4（1.4317）不銹鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求，其化學(xué)成分如表1 所示，其中C 含量高于標(biāo)準(zhǔn)，Ni、Cr 含量低于標(biāo)準(zhǔn)。

表1 葉輪材質(zhì)化學(xué)成分分析

1.3 葉輪金相分析及硬度測試

在葉輪4 個(gè)局部斷裂的葉片上分別截取金相樣品，分別編號為1、2、3、4，經(jīng)預(yù)磨、拋光、腐刻后，在顯微鏡下觀察其金相組織和裂紋形態(tài)，并用顯微硬度計(jì)測試其硬度。結(jié)果顯示，葉片4 與后蓋板交接處有裂紋存在。當(dāng)裂紋尾部較圓鈍時(shí)，表明這個(gè)階段裂紋擴(kuò)展的較慢，如圖4（a）所示；而裂紋頭部尖銳，且穿晶擴(kuò)展時(shí)，表明到這個(gè)階段裂紋擴(kuò)展很快[2-3]，如圖4（b）所示。

圖4 葉輪葉片4 與后蓋板交接處金相組織

測試葉片4 出口頂端與前、后蓋板交接處的硬度平均值，見表2。結(jié)果表明，葉片4 出口與前、后蓋板交接處的硬度值稍高，葉片4 出口頂端的硬度值稍低些，但沒有特別顯著的差別。葉輪金相組織顯示為板條狀馬氏體，如圖5 所示。

表2 葉輪硬度測試

圖5 葉輪葉片4 金相組織及硬度壓痕

1.4 葉輪斷口掃描電鏡分析

采用掃描電鏡對葉輪斷口進(jìn)行觀察，并對斷口腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析。斷口1 取自葉片1 前、后蓋板交接處。由于該處斷裂后，葉輪還在運(yùn)行，斷口受到水泵內(nèi)流體介質(zhì)沖刷和腐蝕，其表面覆蓋有腐蝕產(chǎn)物，已看不到清晰的疲勞輝紋形貌。能譜分析表明，斷口表面腐蝕產(chǎn)物以鐵的氧化物為主，在腐蝕坑處有硫元素的富集。

葉輪斷口2 取自葉片1 在后蓋板上的裂紋處，裂紋打開后成為斷口。該處斷口表面也同樣受到了水泵內(nèi)介質(zhì)的侵蝕，而且斷口表面覆蓋著疏松的腐蝕產(chǎn)物。能譜分析表明，覆蓋在斷口上的疏松腐蝕產(chǎn)物以鐵的氧化物為主，在腐蝕坑處有氯元素的富集。

2 分析與討論

葉輪是離心泵內(nèi)部的關(guān)鍵作用部件，是離心式水泵將電能轉(zhuǎn)換為動能核心零件，同時(shí)也是離心式水泵運(yùn)行過程中最容易遭受破壞的零件。因此，葉輪的完整性對整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

水泵葉輪的斷裂與其自身結(jié)構(gòu)、受力狀態(tài)、材質(zhì)以及環(huán)境介質(zhì)等因素有關(guān)[4]。水泵葉輪是鑄造成型的閉式葉輪，葉片與前、后蓋板連為一體[5]。因?yàn)槠渑c前蓋板內(nèi)壁交接處的夾角較為圓鈍，所以該處應(yīng)力集中程度較低；而其與后蓋板內(nèi)壁交接處的夾角較為尖銳，幾乎為直角，所以該處應(yīng)力集中程度較高。因此，葉輪裂紋均出現(xiàn)在葉片與后蓋板內(nèi)壁交接處，這與該處應(yīng)力集中嚴(yán)重有很大的關(guān)系。在葉輪的生產(chǎn)過程中，葉輪生產(chǎn)方在對該葉輪進(jìn)行平衡調(diào)試時(shí)，對葉輪后蓋板外壁表面的若干區(qū)域進(jìn)行了機(jī)械打磨，結(jié)果造成這些區(qū)域葉輪后蓋板壁明顯減薄，從而導(dǎo)致葉輪后蓋板壁強(qiáng)度的降低，使得該部位裂紋的擴(kuò)展比較容易。

3 結(jié)語

近年來，研究人員基于流固耦合原理對離心泵葉輪進(jìn)行了大量的結(jié)構(gòu)分析。結(jié)果表明，各工況下葉輪應(yīng)力分布不均且局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象較為嚴(yán)重，且在葉片出口部位與后蓋板交接處存在較尖銳的交接角，因此這一部位是離心泵中葉輪最容易遭受破壞且最容易出現(xiàn)斷裂的部位。在本案例中，水泵葉輪產(chǎn)生裂紋的位置也正是處在葉片出口與后蓋板交接處的尖銳角根部。當(dāng)葉輪運(yùn)行時(shí)高速旋轉(zhuǎn)及振動，會使很強(qiáng)的疲勞載荷作用在葉輪上，從而使裂紋不斷地?cái)U(kuò)展，直至其發(fā)生斷裂。除上述原因外，葉輪材質(zhì)不合格，如碳含量偏高、鉻鎳含量偏低等原因，會嚴(yán)重降低葉輪在含有O、Cl 等腐蝕性元素的水中的耐蝕性。葉輪上大量點(diǎn)蝕坑的產(chǎn)生和發(fā)展，不僅降低了葉輪本身強(qiáng)度，也會成為葉輪疲勞斷裂的裂紋源，從而造成葉輪更早斷裂或失效。