火电厂水环真空泵叶片断裂原因分析及修复

史海燕，史晓琦

（1.内蒙古华润磴口金牛煤电有限公司，内蒙古磴口 015200； 2.湖南文理学院芙蓉学院，湖南常德 415000）

火电厂水环真空泵叶片断裂原因分析及修复

史海燕1，史晓琦2

（1.内蒙古华润磴口金牛煤电有限公司，内蒙古磴口 015200； 2.湖南文理学院芙蓉学院，湖南常德 415000）

电厂水环真空泵运行中叶轮叶片断裂，通过对断裂面宏观检查及叶片化学成分和受力状况分析，认为连接叶轮叶片与分隔板间的焊缝形成应力集中。叶片在汽蚀工况运行中长期处于交替载荷作用，在焊缝焊趾处形成裂纹源是导致叶片疲劳断裂的主要原因。对断裂叶片焊接修复，给出焊接工艺。

火电厂；真空泵；叶片断裂；原因分析；焊接修复

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.12.17

0 引言

某火电厂2×600 MW超临界机组凝汽器抽真空水环真空泵于2008年投运，正常运行时单台机组一运两备，型号为2BE1403，转速497 r/min，电机功率 185 kW。2015年2#机水环真空泵在运行过程中突然出现故障，解体发现叶轮叶片存在四处裂纹，其中一处叶片已经完全断裂脱落。综合考虑决定将叶片裂纹缺陷进行修复处理，使修复后的叶轮达到原设备的使用性能。

1 设备概况

火电厂水环真空泵主要用于抽吸凝汽器中不凝结气体，维持凝汽器真空，工作介质为除盐水。泵轴叶轮为铸造316不锈钢材料，由分隔板将叶轮叶片隔成对称的2个区域，叶片是板材加工而成，规格为420mm×225mm×9mm，单侧16片，整体呈弧形，与轴体及两侧端面焊接，叶片间外弧侧间距135mm，内弧侧间距80mm。机组运行时真空泵长期工作，叶片多次出现裂纹，但未彻底解决，不仅造成检修维护和更换等费用的增加，而且严重影响机组稳定运行。

2 叶片裂纹情况及损坏原因分析

解体水环真空泵检查，共发现叶轮4块叶片存在裂纹，一处已完全断裂脱落、一处裂纹延伸较长、另两处有补焊痕迹，但沿补焊处又出现新的裂纹，根据裂纹情况，对产生裂纹原因进行分析。

（1）宏观检查叶片表面光滑，整个叶轮无碰磨痕迹，说明叶片没有受到异物撞击，4处裂纹启裂部位完全相同，启裂处有残存锈迹，裂纹源均在叶轮叶片周向最外端与分隔板连接焊缝焊趾处，裂纹从叶片外侧端部焊缝焊趾处开裂并向叶片芯部延伸再转向叶片外沿扩展（图1）。

（2）对叶轮叶片进行光谱分析，测试结果见表1，各元素符合GB/T 20878—2007《不锈钢和耐热钢牌号及化学成分》中编号S31608（TP316）的化学成分含量[1]，符合泵体材料设计要求。

（3）对脱落叶片部位进行表面着色检测，发现在脱落叶片尖端处存在4条裂纹向叶片内部延伸（图2），对其他叶片焊缝进行检测，发现部分叶片最外端在焊缝焊趾处存在约0.5mm深焊接咬边，且个别咬边部位已经出现轻微裂纹，这些焊缝咬边在疲劳载荷下易形成裂纹源。

表1 TP316不锈钢叶片化学成分分析结果

（4）结合运行工况对叶片损伤部位检测并综合分析，得出叶片断裂的主要有3个原因。①泵在工作时，液体汽化产生气泡至气泡破裂，过流部件受到腐蚀损坏。这种汽蚀工况对泵的运行产生影响，泵汽蚀时，由于气泡的突然破裂产生噪声与振动，振动又会促使空泡发生与溃灭，两者相互作用引起汽蚀共振。空泡破灭时产生的高压力，频繁地打击过流部件，使材料产生疲劳[2]。②泵在高真空状态下的叶轮高速旋转，叶轮各部位膨胀量不等，弧形叶片各个方向受力状况不同，叶片形态随着受力呈现交替往复变化从而形成持久的交变载荷[3]。③叶轮分隔板与叶片间采用焊接方法连接，焊缝处焊接残余应力集中、焊趾处又存在咬边现象形成裂纹源，在持久的疲劳载荷条件下形成的微裂纹逐步扩展延伸，最终叶片在多种因素共同作用下加速疲劳而导致完全开裂。

图1 叶片裂纹延伸方向

图2 断裂叶片形貌

3 修复工艺、缺陷处理及装配

（1）叶片材料为TP316奥氏体不锈钢，具有良好的塑性、韧性、焊接性和耐腐蚀性能。依照母材特点与修复质量要求，综合分析决定采用手工电弧焊修复工艺对断裂叶片进行补焊处理，选择同类型焊接材料E316-16焊条作为填充材料。因TP316不锈钢热膨胀系数较大、热导率低，焊接时容易产生较大焊接应力导致焊接变形，需布置好焊接顺序，严格控制层间温度，防止产生晶间腐蚀，避开不锈钢敏化温度450～800℃。

（2）将叶片开裂部位用机械方法把裂纹彻底清除，已经开裂但未脱落的另一叶片采用机械切割方法将其全部切掉进行修磨，所有断裂边缘处采用不锈钢专用磨片加工成X形坡口，修磨钝边至1mm、坡口角30°，间隙（1.5～2）mm，将待焊叶片调整至正确位置与原叶片保持相同形状与线性再进行3点定位焊。

4 焊接工艺

（1）叶片焊接前将待焊区清理修磨干净，坡口母材内、外壁污物用丙酮清洗，焊接过程中使用不锈钢钢丝刷或专用不锈钢磨片清理焊渣或夹杂物。

（2）正确安排焊接层、道间先后顺序，合理设计焊接接头，层道间接头错开，每层施焊方向与前一层相反，以此方法严格控制叶片变形。

（3）焊前将焊条烘烤并放在保温桶内随用随取，焊接时采用小参数，手工电弧焊工艺，焊条型号E316-16，焊条直径2.5mm，电流（60～65）A 电压（20～21）V 焊速（11～14）cm/min。快速、短弧、双面交叉、分段退焊法施焊。利用焊后喷水强制快冷方式降温，避免层间温度超温，待前层焊缝冷却至（40～50）℃后再焊下一层[4]，每层焊缝厚度＜2mm，收弧时形成缓坡形状，引弧熄弧在坡口内完成，熄弧时填满弧坑，防止弧坑裂纹产生。

5 检验

焊接完毕后用角磨机将焊缝打磨光洁平整，对叶片修复部位进行宏观检查，叶片无变形、无折口错口，表面形状与原叶片线性一致，测量叶片间距与原始尺寸相符。对焊接修复部位进行无损表面着色探伤检测，无表面裂纹、电弧擦伤、咬边、夹渣等（图 3）。

6 结语

凝汽器水环真空泵叶片裂纹的成功处理，不仅可消除设备重大隐患、节省维护成本，也为火电厂解决同类型问题积累了经验。

图3 修复检验后的叶轮

［1］林介东，李正刚，等.电站金属材料光谱分析［M］.北京：中国电力版社，2010.

［2］杨诗成，王喜魁.泵与分机-3版［M］.北京：中国电力出版社，2007.

［3］冯砚厅，代小号，柯郜，等.某电厂真空泵叶轮叶片断裂原因分析［J］. 热加工工艺，2012，41（7）：203-204.

［4］陈祝年.焊接工程师手册［M］.北京：机械工业出版社，2002.

TK 284.1

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〔编辑 利 文〕