排澇水泵葉片斷裂事故分析及處理措施

摘 要：葉片斷裂是水泵常見事故，對水泵運行的可靠性影響較大，為此，如何處理好水泵葉片斷裂問題是用戶極為關心的話題。本文針對某排澇水泵葉片斷裂事故，對葉片斷裂機理和原因進行了論述，并且提出處理措施以避免再次發生這類事故。

關鍵詞：水泵；葉片斷裂；機理；處理措施

水泵除了水力和砂粒的磨損之外，由于長時間在水環境中水泵受到各種腐蝕的作用，使表面由光滑堅硬變為粗糙疏松。水流在不斷流經這些表面時阻力增大，導致水泵性能降低，產生噪音和振動，嚴重時使水泵零部件發生斷裂，其中葉片斷裂就是最為常見。葉片一旦發生斷裂，將給水泵的運行帶來安全隱患。為此，了解葉片斷裂的機理原因，采取相應的處理措施，對提高水泵運行安全具有現實意義。

1 葉片斷裂事故概況

某排澇站潛水混流泵，設計參數是，電機功率P=220kW，流量Q-4219m3/h，揚程日=13.7m，轉速n=740r/min。運行16213h后，水泵機組出現異常振動，經查明，葉片斷裂兩片，均位于葉型邊緣，裂紋長度分別為25cm和40cm。

該排澇站屬間隔式運行，停機時間多于運行時間。由于停機期間未及時保養維護，故葉輪及葉片腐蝕嚴重。

2 水泵葉片斷裂機理

（1）機械性能分析。該泵葉片由QT-600球墨鑄鐵鑄造制成，高溫正火處理，其機械性能如表1所示。

表1 葉片的機械性能

由表1看出，葉片機械性能基本合格，但塑性和韌性稍偏低。

（2）斷口分析。斷片用丙酮徹底去除殘余污垢及腐蝕物，并用無水乙醇清洗吹干，取樣顯微觀察，其金相組織為珠光體，斷口處顯微形貌特征。

（3）疲勞斷裂。疲勞斷裂是由于葉片在水力和泥砂沖擊應力反復作用下發生了疲勞積累，在交變動載荷條件下，經過一定周期后所發生的斷裂。

（4）應力腐蝕斷裂。應力腐蝕斷裂是受拉應力和腐蝕環境共同作用所導致的脆性斷裂。引起葉片應力腐蝕斷裂的因素只能是拉應力，這種拉應力包括外加應力和葉片的殘余應力，而殘余應力主要來源于鑄造、熱處理、加工及裝配過程。

（5）綜合分析結論。葉片斷裂整個過程包括兩個方面，一是水力沖擊引起的疲勞斷裂；二是磨損及腐蝕引起的應力腐蝕斷裂。從斷口的形態圖上可以看出，葉片斷裂首先始于疲勞開裂，在經歷長時間的運行之后發生水下沖擊疲勞裂紋。

3 水泵葉片斷裂的原因分析

（1）葉片材質及加工質量。葉片的斷裂失效與材質密切相關，材料的抗拉強度、屈服強度、硬度及耐腐蝕性均與斷裂有直接關系，同時，若金屬中含有較多的非金屬夾雜物，對葉片材料的應力腐蝕斷裂比較敏感。另外，葉片鑄造加工過程中有夾雜、孔洞等隱形缺陷存在時，這些顯微疏松組織往往是疲勞斷裂和應力腐蝕斷裂的危險源，使葉片提前發生脆性斷裂。

（2）過負荷。水泵超負荷運行，偏離設計工況點，使材料本身所要求的機械性能指標發生變化。水泵過負荷包括兩種情況，一種是實際運行工況超過設計工況，使水力沖擊應力加大；另一種是污水中含有粗大的雜質和硬物，使葉片受到激烈的沖擊阻力和振動。當水泵長期過負荷運行時，外加載荷超過葉片材料危險截面所能承受的極限應力，將發生斷裂失效。

（3）臨界轉速的影響。葉輪、葉片及泵軸組成的轉子，由于受材質、加工及裝配等方面的影響，不可能做到“絕對平衡”，其質心與軸心之間總存在一偏心距，因而產生周期性的干擾力和力矩。當這種不平衡力和力矩的頻率接近轉子的固有振動頻率時，轉子發生強烈振動，此時的轉速即為臨界轉速，其值為，式中5為轉子的剛性系數，m為轉子的質量。當發生共振時，加劇了葉片與葉輪轂之間的磨損，嚴重時則使葉片扭斷。

（4）污水濃度及pH值的影響。污水中含有大量的真菌、霉菌和水藻等微生物，這些微生物新陳代謝的產物，如黑色有難聞氣味的硫化物和有機酸等造成惡劣的腐蝕環境，一方面改變介質中氧的濃度和pH值，同時由于水內細菌和真菌的腐化分解，水中可能有溶解的H2S。因H2S作用而產生的硫化鐵加劇了腐蝕過程；另一方面微生物的排漬物在葉片表面沉積和附著，使葉片表面形成局部腐蝕微裂紋。因此，污水含雜質濃度越高，越易發生應力腐蝕斷裂。另一個重要參數是pH值。污水的pH值代表介質中氫離子濃度的大小，氫離子是影響腐蝕的最主要因素之一。低的pH值使金屬腐蝕產物的溶解度發生改變，金屬表面保護膜的穩定性也發生改變，從而間接影響葉片的腐蝕速度，加速葉片的腐蝕而發生應力腐蝕斷裂。

（5）磨損和腐蝕的影響。抽送介質含有大量的泥砂顆粒，這些具有一定沖擊動能的砂粒就像無數顆小彈頭，以不同角度沖擊泵殼及葉片表面，在砂粒磨損的作用下，葉片表面受到微切削，使其過早失去強度。同時。由于砂粒的不對稱磨損，造成葉輪轉子質量不平衡，使泵機組振動加劇，污水與葉片表面相對運動所引起的腐蝕有兩種形式，一種是湍流腐蝕，這種湍流加大了腐蝕劑的流量，而且附加了一個流動介質對葉片表面的切應力，使腐蝕產物一旦形成就剝離并被沖走。如果介質中有氣泡或懸浮固體顆粒，會加劇這種磨損和腐蝕。另一種形式是空泡腐蝕，即流體介質與葉輪作高速相對運動，在葉片表面局部區域產生渦流，并伴隨有氣泡的迅速生成與破滅，產生沖擊波而不斷破壞表面膜。磨損和腐蝕的聯合作用使葉片過流表面出現魚鱗狀小凹坑和短程溝槽，并有蜂窩狀麻點產生，逐漸形成微裂紋，嚴重時使葉片出口邊磨損折斷。

4 水泵葉片斷裂處理措施

（1）斷裂設計與校核。應用斷裂力學方法進行設計，以斷裂力學指標KlC（實際斷裂韌性指標）和KlSCC（臨界強度因子）作為葉片斷裂校核的標準。為避免發生應力腐蝕斷裂，要求葉片工作時KlC

（2）合理選擇材質。葉片材質除考慮常規的材料力學性能指標外，還必須考慮抗水下疲勞和應力腐蝕開裂性能，只有提高材料的抗水下疲勞斷裂指標及抗應力腐蝕斷裂指標，才能提高葉片的壽命。要盡量選用強度、韌性等綜合性能高及耐腐蝕強的材料，如含硅14.5%的高硅鐵硬化合金STSil5R就是抗磨蝕性好的材料。對于在海水等惡劣環境中運行的水泵，為避免發生應力腐蝕，應選用耐應力腐蝕不銹鋼，葉片可選用ZG1Cr18Ni9Ti、ZG1Crl3、ZG2Crl3或雙相不銹鋼等材料，其抗拉強度σb可達620MPa，屈服極限σs可達440MPa。

（3）提高葉片的制造和加工質量。當材料選定后，葉片的制造和安裝工藝是相當重要的一環。為提高葉片綜合機械性能，可采用調質處理或等溫淬火等熱處理工藝。熱處理時應嚴格控制加熱溫度、保溫時間和冷卻速度，避免產生有害金相組織。葉片鑄件應盡量減少砂眼、氣孔、夾雜和裂紋等缺陷。對于焊接葉輪，要保證焊縫質量，嚴格按照標準進行探傷檢驗。另外，在葉片表面進行噴丸、滲碳或滲氮等強化處理，可增加表面殘余壓應力，有效提高抗疲勞強度。對于新葉輪和葉片可在其表面噴涂環氧金剛砂面層保護，使葉片流道不受磨蝕。

（4）運行條件的控制。嚴格控制水泵的運行條件是防止斷裂事故的有效措施。水泵實際運行工況點盡量控制在高效區范圍，避免超負荷運轉和振動。

（5）精心維護與維修。加強水泵維護與維修管理，嚴格執行泵站技術規范和管理規程，定期對水泵進行維護與保養，提高葉片使用壽命。維修期間，要對葉片腐蝕和磨損嚴重部位進行裂紋探傷，及早發現葉片的裂紋與缺陷。對已經發生磨蝕和有微裂紋的葉片，及早進行修復，防止磨蝕和微裂紋快速擴大。目前采用的表面處理方法有以下3種。①非金屬涂層法。將環氧樹脂、聚氨脂、陶瓷、玻璃或復合尼龍等非金屬材料，經過一定的配方和工藝處理，將其噴涂在葉片被磨蝕表面進行修復。②合金粉末噴焊法。噴焊防護是隨著低熔點粉末材料的研制成功而在噴涂和堆焊基礎上發展起來的一種金屬表面保護技術。③補焊法。補焊是用不銹鋼焊條補焊磨蝕部分，經打磨拋光后使用，壽命一般可提高3～5倍。

5 結束語

目前，不少排澇水泵都存在著葉片斷裂問題，一直都未能得到有效根治，在一定程度上增加了水泵檢修頻次及設備維修費用和影響了水泵正常運行和機泵的使用安全。但筆者相信，隨著對水葉片斷裂問題研究的不斷深入，新工藝和新技術的產生，水泵葉片的斷裂問題將能得到有效解決。

參考文獻

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