304不锈钢叶轮后盖板疲劳断裂原因分析

2021-07-12黄景峰张久峰呼立红李晓鹏

石油化工腐蚀与防护 2021年3期

关键词：内壁盖板断口

黄景峰，鲍炎，张久峰，呼立红，李晓鹏

(1.沈阳中科韦尔腐蚀控制技术有限公司，辽宁沈阳 110180；2.中国石油抚顺石化分公司，辽宁抚顺 113004)

1 热水泵叶轮盖板断裂基本概况

某厂橡胶装置后处理热水泵 (P-3001)，介质为98 ℃热水，叶轮材质为304不锈钢，已运行5 a。2018年12月叶轮的后盖板发生了断裂，泵中叶轮表面尚可看见机械加工的刀痕，未见明显的腐蚀迹象。外观形貌见图1。

对泵中热水进行采样分析，分析结果见表1。

图1 断裂的叶轮盖板

表1 热水采样分析

2 失效分析

2.1 宏观形貌观察

热水泵的叶轮是由前、后盖板和四个流道(叶片)构成，为闭式叶轮。使用过程中，热水泵叶轮后盖板发生了断裂,对叶轮后盖板断块表面及断口进行观察，宏观形貌见图2。通过观察，叶轮表面未见明显腐蚀(点蚀或应力腐蚀),由于受到碰撞，叶轮断口上的大部分区域被破坏，仅有少部分区域断口保持原貌。宏观观察发现，裂纹起源于叶轮后盖板的内、外壁表面，其中内壁表面观察到的裂纹源数量相对比外壁表面多。断口上可见“辉纹状”的疲劳弧线，表明叶轮的断裂为多源疲劳断裂，见图3到图4。

进一步观察发现，在叶轮后盖板内壁断口的裂纹源的附近，可见大量的铸造缺陷(孔洞和疏松等)。由此推断，叶轮断口的裂纹源主要在这些铸造缺陷处，缺陷处形貌见图5。

2.2 材质分析

从送检叶轮上取样，依照标准GB/T 16597—1996，使用光谱仪等对其材质进行化学成分分析(见表2)。由表2可以看出，叶轮的化学成分符合304不锈钢的标准要求。

2.3 金相检验

在叶轮后盖板断口处取样，经预磨、抛光等处理，观察金相组织，见图6。由图6可以看出，在叶轮后盖板断口处内壁有铸造缺陷存在，裂纹产生于这些铸造缺陷处，其显微组织为奥氏体基体上有呈枝晶态分布的少量铁素体，见图7。

图2 叶轮盖板的宏观形貌

图3 叶轮盖板的断裂面宏观形貌

图4 叶轮盖板的低倍形貌

图5 叶轮盖板和铸造缺陷的低倍形貌

表2 叶轮的化学成分分析w,%

图6 叶轮盖板的抛光态组织

图7 叶轮盖板的金相组织

从断裂叶轮上取样，经预磨、抛光和腐刻后，在显微镜下观察分析。

叶轮母材显微组织见图8。由图8可见,叶轮母材为铸态，其金相组织为奥氏体基体上存在枝晶态分布的少量铁素体,与断口处显微组织一致[1]。

图8 叶轮母材的金相组织

2.4 扫描电镜微观形貌观察

用扫描电镜(SEM)对叶轮断口形貌进行观察，分析区域见图9。

叶轮断口裂纹源区的SEM分析(图9中a处)发现，在叶轮断口的裂纹源区，断口较陈旧，断口上有氧化物附着，致使断口的清晰度较差，疲劳“辉纹线”不甚清晰(见图10)。

叶轮断口裂纹扩展区的SEM分析(图9中b处)发现，在叶轮断口的裂纹扩展区，可见大量的疲劳“辉纹线”，与裂纹扩展方向垂直(见图11)。

图9 叶轮断口扫描电镜分析区域

图10 叶轮断口裂纹源区的SEM分析(图9中a处)

图11 叶轮断口裂纹扩展区的SEM分析(图9中b处)

2.5 断口能谱分析(EDS)

断口裂纹扩展区域(图9中b处)EDS分析结果见表3。由表3可知，断口表面除氧元素外，断口裂纹扩展区其他腐蚀性元素均未检出，可以认为断口仅发生了氧化反应。

3 分析与讨论

叶轮是热水泵内部的关键过流部件，是热水泵能量转换的核心部件，也是运行过程中最容易破坏的部件。叶轮的可靠性对整个系统的安全运行至关重要。

表3 叶轮断口裂纹扩展区EDS分析(图9中b处)

对热水泵断裂叶轮后盖板进行多项理化检验分析后，认为热水泵叶轮后盖板的断裂主要与其受力状况、叶轮制造质量及结构等因素有关。

热水泵叶轮为铸造成型的304不锈钢闭式叶轮，其叶片与前、后盖板连为一体。当热水泵工作时叶轮旋转，在叶轮上的不同部位所受到的应力大小不同。有关研究表明[2]，叶轮的周向应力大于径向应力，即圆周方向的应力是主要的，最大的周向应力位于后盖板与叶轮轮毂处。对叶轮断口的分析表明，大多数裂纹源在应力集中处。

通过宏观观察发现，热水泵叶轮后盖板内外壁表面状态也存在差异。其中，后盖板外壁表面较光滑，而后盖板内壁表面较为粗糙，不仅存在明显机加工刀痕，还存在许多铸造缺陷(孔洞、疏松等)存在。在外力作用下，这些缺陷部位产生局部应力集中易萌生疲劳裂纹[3]。另外，叶轮后盖板的壁厚不均匀，其壁厚较薄的部位相对强度较低，其抗疲劳强度也低。由于热水泵叶轮高速旋转运行时，会有很强的疲劳载荷作用在叶轮上，叶轮后盖板受到的应力最大,因而在叶轮后盖板铸造缺陷处易发生局部应力集中,导致疲劳裂纹在这些缺陷处萌生。一旦疲劳裂纹产生，在交变应力的作用下，就会不断扩展，直至造成叶轮疲劳断裂而失效。