真空泵叶轮失效原因分析与焊接修复

■ 束东，姚祥宏，毛全生

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1. 概述

2017年10月，某电厂5#机组A级检修，在解体检查真空泵时发现叶轮根部有五六处汽蚀痕迹（见图1），其中最大处长约120mm，最深处约10mm；叶轮存在七八处裂纹缺陷，几处裂纹已经穿透，如图2所示。

该电厂5#机组真空泵生产厂家为纳西姆工业（中国）有限公司，型号为NASH TC-II。真空泵叶轮的材质为QT500-7，属于球墨铸铁，其化学成分如表1所示，力学性能如表2所示。

QT500-7中的C与S、P杂质元素含量较高，造成强度低、塑性差，在真空泵叶轮制造过程中可能会在内部出现缩孔、疏松、沙眼等缺陷。一旦真空泵叶轮出现裂纹，若是采用更换的方式，会使成本增加。但采取焊接方法修复，在焊接修复过程中易形成白口组织及裂纹缺陷，这就要求制定效果更好的焊接修复方案，为此增加了修复难度。

图1 叶轮根部汽蚀痕迹

图2 叶轮穿透裂纹

表1 球墨铸铁QT500-7化学成分（质量分数） （%）

表2 球墨铸铁QT500-7力学性能

2. 缺陷原因分析

通过对本次检修中真空泵叶轮产生的两种缺陷进行宏观检测，并根据真空泵具体运行工况对缺陷产生原因进行了分析。

（1）叶轮加强筋根部缺陷为汽蚀造成 当叶轮旋转时，水被叶轮抛向四周，由于离心力作用，水形成了一个决定于泵腔形状的近似于等厚度的封闭圆环。长期在这种工况下，叶轮表面受到局部的“水锤”现象，汽水撞击叶轮，叶片受到反复高频率、高负荷的撞击作用力，叶轮所受、应力远远超过了它本身的疲劳强度，使得叶轮表面质点由韧性转为脆性，产生疲劳，使得金属叶轮屈服点降低。当汽水锤击压力大于屈服点时，金属开始脱落，产生麻点，以致严重时形成孔洞；真空泵工作时，工作环境产生变化，实际工况与设计工况不符，同时真空泵设计有效汽蚀余量不足，均会在叶轮表面产生腐蚀孔洞。基于上述分析，以上两种情况均会造成汽蚀。

（2）叶轮穿透裂纹为表面铸造缺陷造成 通过检查，不仅发现叶轮表面存在多处铸造气孔及夹渣，而且表面粗糙，说明该叶轮的铸造工艺较差。在运行工况中，铸造缺陷处在真空泵运行中受到循环往复激振力的作用，在表面气孔、夹渣多处因产生应力集中而导致疲劳裂纹，最终形成穿透型裂纹。

真空泵一旦产生缺陷后，使得真空泵扬程降低，性能急剧下降，同时振动和噪声增大，影响稳定性。若不及时处理裂纹及腐蚀缺陷，对泵的安全运行构成威胁，甚至在后期运行中缺陷范围扩大造成疲劳断裂，严重时引发事故，因此需对真空泵进行修复处理。

3. 焊接修复方案

（1）球墨铸铁修复时存在的主要问题 球墨铸铁碳、硫及磷含量高，强度低，塑性差。在焊接修复球墨铸铁材料时，碳、硅元素等促进石墨化元素大量烧损，且冷却速度快，导致焊缝区域石墨化进程来不及进行而产生白口组织。在热影响区及熔合线附近易产生马氏体淬硬组织，导致该区域硬度高，后续加工难度增大。白口组织、马氏体淬硬组织及焊接拘束应力都是极易造成焊接裂纹的原因。

针对焊接修复球墨铸铁材料容易产生裂纹的问题，主要采取以下措施：①选用合适的焊接材料，如异质焊条。②选用合适的焊接方法，如焊条电弧焊、气焊及气保焊等。③制定合理的焊接修复工艺和采取相关操作措施来保证修复质量。

（2）本叶轮修复时方案的选择 为保证在焊接修复时，避免出现白口组织、淬硬组织导致裂纹缺陷，同时保证焊接接头的性能需求与母材匹配，选用美国产万能M777B高强度焊条，其化学成分如表3所示，力学性能如表4所示。M777B是以镍铁合金为焊芯的铸铁焊条，该焊条操作方便以及焊后加工性能好，主要用于焊接及维修各种铸铁。还可用于铸铁和钢的异种焊接，焊缝强度高、塑形好、具有抗裂性，常用于厚度较大的灰口铸铁及球墨铸铁的焊接，以及工程级纯度铸铁的焊补。焊接时，交流直流均可采用。

焊接方法采用电弧冷焊，焊前不需预热，这样不仅解决了修复时难以预热的问题，也简化修复工艺。

焊前准备：一是将叶轮表面清理干净，用渗透方法检测裂纹方向及裂纹长度；二是在裂纹末稍打止裂孔；三是用金属旋转电动锉刀对裂纹进行开挖，直到裂纹挖净为止，最后形成X形坡口，如图3所示。

焊接及焊后检测：采用手工焊，焊条焊前经150℃恒温1h，烘焙后随用随取，保温桶存放，焊接参数如表5所示。具体施焊工艺：一是采用短段、断续焊小电流快速焊（焊后马上用电锤在焊缝区域进行去应力锤击）；二是焊接修复过程中严格控制层间温度，层间温度为100~150℃；三是修复结束对焊缝余高部分打磨至与叶轮表面齐平，并经渗透检验无裂纹即为修复合格，如图4所示。

4. 结语

通过对5#机组真空泵叶轮裂纹处理，消除了电厂设备的重大隐患，运行后泵体振动明显改善，真空泵运行平稳，抽吸能力强，泵电机电流正常，进一步提高了设备的安全性。而更换一台真空泵转子需要花费十余万元，此次修复真空泵叶轮给电厂带来了时间和经济效益，对以后处理真空泵叶轮类似缺陷积累了一定的经验。

表3 万能M777焊条的化学成分（质量分数） （%）

表4 万能M777焊条的力学性能

表5 焊接参数

图3 挖补及制作坡口

图4 修复完成