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725所为您讲述某海水泵叶片断裂失效分析

发布日期:2017-09-01浏览次数:
 

某厂两台海水离心泵在投用不久就发生叶片断裂。型号为1200H/TE,结构示意见图1。泵的功率为750kW,转速为595r/min,流量为13500m³/h,介质为海水,扬程为17.3m。两台泵的叶片均采用了奥氏体不锈钢铸件,其中泵1的叶片材料为304不锈钢,使用4个月断裂;泵2的叶片材料为316L不锈钢,使用仅10天就断裂。断裂宏观照片见图2、图3。

 

图1:海水泵示意图

海水泵示意图

图2:叶片1的断裂情况

叶片1的断裂情况

图3:叶片2的断裂情况

 叶片2的断裂情况

一、理化检验

 

1、宏观检验

 

观察叶片表面发现,两叶片表面锈蚀均不严重,磨损也较轻微。叶片发生断裂的部位在叶片表面中部,断口平整。肉眼观测叶片表面有很多微小点坑和细微裂纹,见图4。为了查明叶片断裂的原因,从725所叶片断口附近各取3个小样,分别进行金相检验、扫描电镜分析和能谱分析。取样部位如图5所示。

 

图4:叶片表面锈蚀磨损状况

叶片表面锈蚀磨损状况

图5:取样部位

 取样部位

2、化学成分分析

 

断裂叶片的化学成分分析结果(质量分数)见表1。结果表明,材料成分符合304、306L钢的相关标准规定(GB2100-80)。

 

3、金相分析

 

目视检查叶片表面可见大量微小孔洞,典型孔洞剖开见图6,从剖面观察孔洞沿叶片厚度方向贯穿,孔洞内壁表面光滑,无腐蚀迹象,属于铸造气孔。对孔洞表面抛光后在显微镜下观察微裂纹形貌,如图7所示,裂纹附近无明显夹杂物。经10%草酸溶液侵蚀后,组织见图8。可看到孔洞周围萌生了大量裂纹。

 

表1:叶轮1、2材料的化学成分(wt%)

叶轮1、2材料的化学成分(wt%)

图6:贯穿叶片的气孔

贯穿叶片的气孔

图7:金相显微镜下孔洞形态

金相显微镜下孔洞形态

图8:金相显微镜下侵蚀组织形貌

 金相显微镜下侵蚀组织形貌

4、电镜观察

 

在叶片断面可清晰看到断口明显分为三个区域即纤维区(裂源区)、扩展区和最后断裂区,见图9。在断口处取试样进行扫描电镜观察。由图10可见,铸造缺陷处颜色较深,表面比较平滑,是放射状的撕裂棱线的收敛处。由此可判断该处即为断裂的起源位置。图11是裂纹扩展区的电镜扫描照片,可看到清晰的疲劳辉纹,它从疲劳源开始,呈弧线向四周推进。图12为断面上最终断裂区的扫描电镜照片,该区域存在明显的韧窝形貌,为靭性断裂,表明该区域为最终瞬断区。图13为铸造气孔的形貌。

 

图9:宏观断口形貌

宏观断口形貌

图10:裂源区SEM形貌

裂源区SEM形貌

图11:裂纹扩展区SEM形貌

裂纹扩展区SEM形貌

图12:断裂去SEM韧窝形貌

断裂去SEM韧窝形貌

图13:铸造缺陷的SEM形貌

铸造缺陷的SEM形貌

5、叶片基体及表面凹坑的X射线电子能谱分析

 

对裂源附近的凹坑底部以及叶片基体X光电子能谱分析,结果见图14〜图17。图14是304钢的叶片表面凹坑的腐蚀产物能谱分析,虽然叶片工作环境是在海水中,但腐蚀产物中的氯离子含量并不高,在正常范围内,故氯离子并不是造成腐蚀孔洞的主要原因。对比图14和图15的数据可知,腐蚀产物主要是Fe203。图16、图17是316L叶片的腐蚀产物和基体的能谱分析,具有同样的结果。

 

图14:叶片(304钢)腐蚀产物能谱分析

叶片(304钢)腐蚀产物能谱分析

图15:叶片I(304钢)基体能谱分析

叶片I(304钢)基体能谱分析

图16:叶片II(316钢)腐蚀产物能谱分析

叶片II(316钢)腐蚀产物能谱分析

图17:叶片II(316L)基体能谱分析

 叶片II(316L)基体能谱分析

二、东莞南方泵业分析与讨论

 

304不锈钢及316L不锈钢作为常用的奥氏体不锈钢,一般情况下的耐蚀性能优良。特别是316不锈钢,成分中添加了2%〜3%的钼,降低了碳含量。它比304不锈钢具有更好的耐点蚀性能,但这两台泵的叶片在使用不久均发生了断裂失效。

 

综上分析,通过腐蚀产物分析可知,海水中的氯离子并不是叶片断裂失效的主要原因。海水中的氯离子等卤素离子能阻碍和破坏金属的钝化,使得海水腐蚀的阳极过程较易进行。氯离子的腐蚀破坏机理一般有:

 

(1)破坏氧化膜。氯离子对氧化膜的渗透破坏作用以及对胶状保护膜的解胶破坏作用;

 

(2)吸附作用。氣离子比某些钝化剂更易吸附;

 

(3)电场效应。氯离子在金属表面或在薄的钝化膜上吸附,形成强电场,使金属离子易于溶出;

 

(4)形成络合物。氣离子与金属可生成氯的络合物,加速金属溶解。

 

以上这些作用都能减少阳极极化阻滞,使得一些耐大气腐蚀的低合金钢在海水中耐蚀性并不好,甚至不锈钢在海水中也常因钝态的局部破坏遭受严重的孔蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀。在高速海水中,则易产生冲击腐蚀和空泡腐蚀。但是通过本文的能谱分析可知,两个叶片腐蚀产物中氯离子含量均不高,而且叶片表面并没有严重的孔蚀或缝隙腐蚀,所以南方水泵厂认为海水中的氯离子不是本例叶片断裂失效的主要原因。

 

此外,通过扫描电镜可看出叶片断口为典型的疲劳断口,断裂属性为疲劳断裂。疲劳裂纹源自叶片本身的铸造气孔。钢件的组织结构中,如果有大量铸造缺陷,将会成为导致工件发生疲劳断裂的择源地。所以叶轮在投入使用前一定要做好质量检测工作,例如可以对叶片进行表面探伤,进而检测叶轮质量。

 

需要指出的是,作为重要的运转部件,叶轮工作中保持动平衡十分重要。因此叶轮安装前要调节好动平衡,避免叶轮服役中震动而造成不必要的损伤。

 

三、结论及建议

 

(1)本例中叶片的铸造缺陷是导致产生疲劳断裂失效的主要原因。

 

(2)鉴于叶轮本身工况,安装时调整好叶轮的动平衡,减小工作中由于震动造成的交变应力幅值。

 

(3)应加强对叶片的质量检验,如进行表面探伤等检验方式。