304不銹鋼葉輪后蓋板疲勞斷裂原因分析

黃景峰，鮑 炎，張久峰，呼立紅，李曉鵬

(1.沈陽中科韋爾腐蝕控制技術有限公司，遼寧 沈陽 110180；2.中國石油撫順石化分公司，遼寧 撫順 113004)

1 熱水泵葉輪蓋板斷裂基本概況

某廠橡膠裝置后處理熱水泵 (P-3001)，介質為98 ℃熱水，葉輪材質為304不銹鋼，已運行5 a。2018年12月葉輪的后蓋板發生了斷裂，泵中葉輪表面尚可看見機械加工的刀痕，未見明顯的腐蝕跡象。外觀形貌見圖1。

對泵中熱水進行采樣分析，分析結果見表1。

圖1 斷裂的葉輪蓋板

表1 熱水采樣分析

2 失效分析

2.1 宏觀形貌觀察

熱水泵的葉輪是由前、后蓋板和四個流道(葉片)構成，為閉式葉輪。使用過程中，熱水泵葉輪后蓋板發生了斷裂,對葉輪后蓋板斷塊表面及斷口進行觀察，宏觀形貌見圖2。通過觀察，葉輪表面未見明顯腐蝕(點蝕或應力腐蝕),由于受到碰撞，葉輪斷口上的大部分區域被破壞，僅有少部分區域斷口保持原貌。宏觀觀察發現，裂紋起源于葉輪后蓋板的內、外壁表面，其中內壁表面觀察到的裂紋源數量相對比外壁表面多。斷口上可見“輝紋狀”的疲勞弧線，表明葉輪的斷裂為多源疲勞斷裂，見圖3到圖4。

進一步觀察發現，在葉輪后蓋板內壁斷口的裂紋源的附近，可見大量的鑄造缺陷(孔洞和疏松等)。由此推斷，葉輪斷口的裂紋源主要在這些鑄造缺陷處，缺陷處形貌見圖5。

2.2 材質分析

從送檢葉輪上取樣，依照標準GB/T 16597—1996，使用光譜儀等對其材質進行化學成分分析(見表2)。由表2可以看出，葉輪的化學成分符合304不銹鋼的標準要求。

2.3 金相檢驗

在葉輪后蓋板斷口處取樣，經預磨、拋光等處理，觀察金相組織，見圖6。由圖6可以看出，在葉輪后蓋板斷口處內壁有鑄造缺陷存在，裂紋產生于這些鑄造缺陷處，其顯微組織為奧氏體基體上有呈枝晶態分布的少量鐵素體，見圖7。

圖2 葉輪蓋板的宏觀形貌

圖3 葉輪蓋板的斷裂面宏觀形貌

圖4 葉輪蓋板的低倍形貌

圖5 葉輪蓋板和鑄造缺陷的低倍形貌

表2 葉輪的化學成分分析w,%

圖6 葉輪蓋板的拋光態組織

圖7 葉輪蓋板的金相組織

從斷裂葉輪上取樣，經預磨、拋光和腐刻后，在顯微鏡下觀察分析。

葉輪母材顯微組織見圖8。由圖8可見,葉輪母材為鑄態，其金相組織為奧氏體基體上存在枝晶態分布的少量鐵素體,與斷口處顯微組織一致[1]。

圖8 葉輪母材的金相組織

2.4 掃描電鏡微觀形貌觀察

用掃描電鏡(SEM)對葉輪斷口形貌進行觀察，分析區域見圖9。

葉輪斷口裂紋源區的SEM分析(圖9中a處)發現，在葉輪斷口的裂紋源區，斷口較陳舊，斷口上有氧化物附著，致使斷口的清晰度較差，疲勞“輝紋線”不甚清晰(見圖10)。

葉輪斷口裂紋擴展區的SEM分析(圖9中b處)發現，在葉輪斷口的裂紋擴展區，可見大量的疲勞“輝紋線”，與裂紋擴展方向垂直(見圖11)。

圖9 葉輪斷口掃描電鏡分析區域

圖10 葉輪斷口裂紋源區的SEM分析(圖9中a處)

圖11 葉輪斷口裂紋擴展區的SEM分析(圖9中b處)

2.5 斷口能譜分析(EDS)

斷口裂紋擴展區域(圖9中b處)EDS分析結果見表3。由表3可知，斷口表面除氧元素外，斷口裂紋擴展區其他腐蝕性元素均未檢出，可以認為斷口僅發生了氧化反應。

3 分析與討論

葉輪是熱水泵內部的關鍵過流部件，是熱水泵能量轉換的核心部件，也是運行過程中最容易破壞的部件。葉輪的可靠性對整個系統的安全運行至關重要。

表3 葉輪斷口裂紋擴展區EDS分析(圖9中b處)

對熱水泵斷裂葉輪后蓋板進行多項理化檢驗分析后，認為熱水泵葉輪后蓋板的斷裂主要與其受力狀況、葉輪制造質量及結構等因素有關。

熱水泵葉輪為鑄造成型的304不銹鋼閉式葉輪，其葉片與前、后蓋板連為一體。當熱水泵工作時葉輪旋轉，在葉輪上的不同部位所受到的應力大小不同。有關研究表明[2]，葉輪的周向應力大于徑向應力，即圓周方向的應力是主要的，最大的周向應力位于后蓋板與葉輪輪轂處。對葉輪斷口的分析表明，大多數裂紋源在應力集中處。

通過宏觀觀察發現，熱水泵葉輪后蓋板內外壁表面狀態也存在差異。其中，后蓋板外壁表面較光滑，而后蓋板內壁表面較為粗糙，不僅存在明顯機加工刀痕，還存在許多鑄造缺陷(孔洞、疏松等)存在。在外力作用下，這些缺陷部位產生局部應力集中易萌生疲勞裂紋[3]。另外，葉輪后蓋板的壁厚不均勻，其壁厚較薄的部位相對強度較低，其抗疲勞強度也低。由于熱水泵葉輪高速旋轉運行時，會有很強的疲勞載荷作用在葉輪上，葉輪后蓋板受到的應力最大,因而在葉輪后蓋板鑄造缺陷處易發生局部應力集中,導致疲勞裂紋在這些缺陷處萌生。一旦疲勞裂紋產生，在交變應力的作用下，就會不斷擴展，直至造成葉輪疲勞斷裂而失效。

4 結論和建議

(1)葉輪的材質為304不銹鋼。

(2)葉輪的金相組織為鑄態奧氏體+晶間少量鐵素體。

(3)葉輪中(尤其是后蓋板內壁)含有大量的鑄造缺陷。當葉輪工作時，這些鑄造缺陷在交變載荷的作用下，在葉輪后蓋板局部區域形成嚴重的應力集中而產生疲勞裂紋，隨著疲勞裂紋不斷擴展，最終造成葉輪的疲勞斷裂。

(4)建議提高葉輪的鑄造質量，并定期進行無損探傷。在設備運行前，應確保動平衡校驗合格，以降低葉輪運行中所受到的交變載荷。