給水泵葉輪裂紋原因分析及處理
作者：化工水泵 來源：化工水泵 發(fā)布時(shí)間：2019-09-30
給水泵是水泵行業(yè)中常用的水泵，一般由：泵殼，葉輪，密封，支架，軸承箱，電機(jī)等部分組成。葉輪是水泵輸送液體的主要部件，葉輪受損會大大影響水泵的流量，揚(yáng)程等參數(shù)，對水泵性能要求就無法滿足，如水泵葉輪出現(xiàn)裂紋是什么原因的，要如何改進(jìn)呢？
一、葉輪機(jī)械結(jié)構(gòu)分析
給水泵葉輪由前蓋板、后蓋 板、葉片、輪轂等部件組成。葉片與前蓋板接口的 尖角設(shè)計(jì)狹窄，容易造成應(yīng)力集中。在多種載荷 的共同作用下，葉片拉伸，其與前蓋板的連接處產(chǎn) 生一個超負(fù)荷的應(yīng)力，導(dǎo)致接口處逆向收縮產(chǎn)生裂 紋。
1、斷口形貌分析
從葉輪上切取一個葉片試樣，觀察知裂紋從葉片 尖角處開始一路向后蓋板擴(kuò)展，于葉片與輪轂 交接處。實(shí)際測得的裂紋長度為70~80 mm。從葉片的 斷面上觀察到與裂紋拓展方向垂直的疲勞臺階，這是 金屬疲勞斷口最基本的宏觀特性。5個葉片上的裂紋 走向及斷面形式相同。用掃描電鏡觀察其斷口，清晰可見 由疲勞臺階組成的海灘花樣，整個斷口上沒有觀察 到明顯的塑性變形痕跡。由于滑移系數(shù)較低的鋼鐵材 料的疲勞輝紋往往較短、較小，再加上葉輪的轉(zhuǎn)速較 高使得疲勞輝紋間距更小，所以難以觀測到典型的疲 勞輝紋。但葉片上的裂紋斷口平直，斷口上有疲勞弧 形成的海灘花樣，且從斷口的宏觀特性和葉輪實(shí)際的 運(yùn)行工況判斷，該斷口的性質(zhì)系脆性疲勞 [6,7]。
2、根據(jù)本章的分析，葉片產(chǎn)生裂紋原因總結(jié)如下:
葉片根部尖角設(shè)計(jì)過于狹窄，制造偏差使其剛度低于 設(shè)計(jì)值，運(yùn)行過程中所受大載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)值。在多種載荷的綜合作用下，葉片局部應(yīng)力集中。經(jīng)過 斷口形貌分析確認(rèn)，輔助給水汽動泵二級葉輪葉片裂 紋是材料脆性疲勞造成的。
二、葉輪結(jié)構(gòu)改進(jìn)
1、葉片、后蓋板厚度
舊葉輪葉片設(shè)計(jì)厚度為5 mm，新型葉輪葉片設(shè)計(jì) 厚度改為7 mm;舊葉輪后蓋板設(shè)計(jì)厚度為5 mm，新 型葉輪后蓋板設(shè)計(jì)厚度為8.6 mm。由于整體上增加了葉片剛度和強(qiáng)度，實(shí)測值均高于設(shè) 計(jì)值，因此葉輪強(qiáng)度理論上應(yīng)高于設(shè)計(jì)值。
2、葉片前緣長度
為解決所述的問題，新型二級葉輪將葉片 前緣縮短到葉輪內(nèi)徑處，生根位置增加至前、后蓋板 兩處，加工難度小，厚度尺寸控制精度高。葉片前緣 長度縮短，取消尖角，應(yīng)力集中問題得到大幅緩解。
3、葉片受力有限元分析
由于設(shè)計(jì)缺陷，舊葉輪葉片尖角在 正常運(yùn)行、小流量運(yùn)行和超速跳閘運(yùn)行工況下，葉 片入口原角處的峰值應(yīng)力超過葉片材料抗拉強(qiáng)度。而設(shè)計(jì)優(yōu)化后的新型葉輪葉片局部峰值應(yīng)力大大降 低[8, 9]，大為254 MPa，遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(不 超過50%)，解決了葉片尖角處抗拉強(qiáng)度不足的問 題，滿足設(shè)計(jì)要求。
三、試驗(yàn)驗(yàn)證
對新型二級葉輪進(jìn)行總時(shí)長為876 h的試驗(yàn)，包含4個階段——水力性能試驗(yàn)、耐久性試驗(yàn)、小流量 試驗(yàn)(含超速停機(jī)和正常停機(jī))和正常工況運(yùn)行試驗(yàn) 等。在完成每階段試驗(yàn)之后，均對泵進(jìn)行解體檢查， 以證明新型二級葉輪滿足電廠全壽期內(nèi)的設(shè)計(jì)要求。
1、小流量工況下?lián)P程輕微下降現(xiàn)象
小流量工況(25 m3/h)下?lián)P程下降約10 m，下降 幅度約1%。該微小偏差可能是因?yàn)楸媒?jīng)歷了較長時(shí) 間的耐久試驗(yàn)，前后口環(huán)泄漏輕微增加，造成小流量 對應(yīng)效率輕微下降。此系正常磨損，根據(jù)GB/T 3216- 2005規(guī)定[11]，水力性能偏差≤3%，在1級標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)， 因此判斷其不影響設(shè)備正常運(yùn)行。
2、汽蝕現(xiàn)象
對改進(jìn)型葉輪進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)葉輪入口處存在 輕微汽蝕的現(xiàn)象。由于汽蝕坑深處小于0.5 mm， 經(jīng)過整個876 h的試驗(yàn)后，汽蝕程度沒有明顯惡化趨 勢。因此，新二級葉輪產(chǎn)生的微小汽蝕坑不會對葉 輪的整體機(jī)械強(qiáng)度造成影響，同時(shí)，輔助給水汽動泵，泵的汽蝕余量為7.24 m，而現(xiàn)場ASG001BA的正常水位為13~14.52 m，因此判斷泵在 正常運(yùn)行時(shí)發(fā)生汽蝕的可能性極低。
