海水循环水泵叶轮失效原因分析及处理建议

经验交流Experience Exchange CA海水循环水泵叶轮失效原因分析及处理建议吴昉赞’周澄'张晓(1.中核核电运行管理有限公司，浙江嘉兴314300;2.陕西恒星电力建设工程有限公司，浙江嘉兴314300)摘要:在一个使用周期内海水循环水泵叶轮即损坏严重。叶片减薄严重的主要原因是泥沙的显微磨削作用;局部区域的材料流失严重是气蚀加速的磨削造成的。针对叶轮失效的主要原因，提出采用涂刷耐磨陶瓷涂层提高叶轮的耐磨削和抗气蚀性，以延长叶轮单次的使用寿命。关键词:叶轮冲刷腐蚀 汽蚀耐磨 陶瓷涂层中图分类号: TE980.4文献标识码: ADOI: 10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2015.12.039.03The Analysis of Failed Seawater Pump Impellers and SolutionWU Fang-yun', ZHOU Cheng', ZHANG Xiao2(1.CNNC Nuclear Power Operations Management Co., Ltd. Jiaxing 314300, China;2.Shan Xi Heng Xing Electric Power Construction Co., Ltd. Jiaxing 314300, China)Abstract: The seawater pump impellers were damaged severely during one service cycle. The failureanalyses show that the vane’thinning gravely resulted from sand' s micro cutting, and local materialrunning off resulted from micro cutting accelerated by cavitation. Base on the analyses, this paper presents技some plans of prolonging impellers ’life, It is considered that spraying the surface wear resistant coating is术economic and feasible.Key words: impellers; erosion-corrosion; cavitation erosion; wear resistant coating0概述某核电厂海水循环水泵为立式混合泵，电动机功率1600kw，流量16000m/h，扬程23.5m, 转速495r/min，叶轮材料为ZG1Cr18Ni9。在循环水泵解体检查中发现泵的叶轮损坏严重，叶轮过流部件遭到破坏，叶片磨蚀十分严重，具体表现在:入水侧叶片前缘磨损沿叶片根部向叶(a)叶轮整体形貌(b)叶片边缘刀刃状缺损片端面方向越来越严重;叶片入水侧存在大量鱼鳞图1 叶轮冲刷腐蚀形貌状沟槽，零星存在麻点状破损坑。叶片出口处背面.1失效机理减薄很严重，呈较深的鱼鳞状花纹，叶片的边缘呈参差不齐、很尖锐的刀刃状缺口;正面有大量的犁1.1 海水环境特点沟和鱼鳞状纹路，犁沟浅而宽，鱼鳞纹浅且间距核电厂位于杭州湾,根据相关文献资料|121,杭大。局部的坑(沟)内壁较光滑，顶端呈刀刃状。州湾海水盐分含量为7500 ~ 18500mg/L,仅为- -般海作者简介:吴昉赞(1987-)，浙江海盐人，学士，助理工程师，研究中国煤化工。YHCNMHG .全面腐蚀控制39第29卷第12期2015年12月经验交流CAIA Experience Exchange水的1/3 ~ 12; pH值年平均值为8.02,基本无污染;以的机械 力学损伤，因而，沙粒的机械冲击作用以微粘性细颗粒粉沙为主的悬浮物含量500~ 2300mg/L;粉切削作用为主。沙的矿物成分则主要为石英和正长石，维氏硬度分别微切削作用直接使晶粒表面产生碎屑，挤压、为7和6级(HV950~ HV1200)，平均粒径0.036mm，犁 削则将晶粒表层材料挤出和卷边，后续的切削和且多为棱片状。循环水泵在运行过程中，叶轮金属挤压、 犁削作用使卷边不断剥落。切削和挤压、犁表面受到小而松散的流动粒子的冲击作用。同时，削的另一个作用是使晶粒的局部表面产生硬化薄海水中含有氯离子属腐蚀性介质，有一定的化学腐层， 硬化薄层的磨削速率会小幅下降，但由于晶粒蚀作用。因此循泵叶轮在含沙海水中的损坏属于典表面无法形成连续的硬化层，硬化薄层易随非硬化型的冲刷腐蚀，在泥沙机械冲刷的力学作用的同时区域产生的卷边和切屑--起剥落。伴随着电化学腐蚀。由于硬化薄层的形成，因而，在叶轮的导流部1.2冲刷腐蚀机理分金属表面的材料流失速率相对恒定，减薄比较均冲刷腐蚀，是金属表面与腐蚀流体之间由于高匀; 由于叶片工作面(正面)的流体压力比背面大，正速相对运动而引起的金属损坏现象，是材料受冲刷面的沟纹要比背面深;在与盖板结合区由于水流漩和腐蚀交互作用的结果。冲刷腐蚀是一种危害性较涡的作用， 局部产生了破损坑。大的局部腐蚀，尤其是在含固相颗粒的两相流中破1.3.2 汽蚀加速的大角度冲击坏更为严重，它大大缩短了设备的使用寿命，在海在叶片入水侧，水流方向与金属表面的夹角大水、石油和化工等领域广泛存在34。于45°，形成大角度冲击区。叶片入水侧与水流方向冲刷腐蚀包括冲刷和腐蚀两个方面。冲刷是材夹 角最大，同时线速度也很高，含沙水流直接冲击术支料以固体颗粒(分子)形式脱离金属表面，腐蚀是腐蚀金 属表面，部分细小的多角(片状)沙粒会刺入晶界和产物以离子形式脱离金属表面。磨损腐蚀造成的材晶粒上，造成大量的表面显微裂纹源。水流的冲击料损失量不仅仅是纯冲刷失重及单纯腐蚀的简单叠会使晶界上的显微裂纹沿晶界扩展，最终发展成沿加，而是冲刷力学因素与腐蚀电化学因素相互促进晶分布的疲劳裂纹，引起晶粒疲劳剥落，形成疲劳产生协同作用所致。剥蚀坑。1.3循泵叶轮失效机理同时，在叶片入水侧，尤其是在叶轮叶片进口循环水泵叶轮的损坏为泥沙机械冲刷、磨损稍后处， 由于水泵产生汽蚀，汽蚀在瞬间产生的高和海水腐蚀共同作用下的磨损腐蚀失效，并且，泥达几百至几 千个大气压的冲击应力，并以很高的冲沙机械冲刷、磨损损坏速率远大于其腐蚀速率。同击频率(600~25000Hz)打击金属表面，使显微裂纹时，由于泥沙淤积作用，在叶轮入口处产生--定的发展成为疲劳裂纹，裂纹的不断扩展造成晶粒松动汽蚀，汽蚀加速了磨损腐蚀的损坏作用。和脱落，形成早期的麻点状汽蚀坑。材料表层的显1.3.1小角度磨削微裂纹主要是由材料本身的缺陷、冲击和沙粒刺入水流方向与叶片金属表面夹角小于45°的磨削产生的。汽蚀过程中气泡的破裂传给泥沙的能量,区，主要分布在叶片导流部分。小角度磨削的特征使沙粒加速，增加了大角度冲击的破坏作用;而进表现为叶片均匀减薄，形成鱼鳞纹以及犁沟纹等。入汽蚀坑的沙粒则对先期形成的汽蚀坑形成“往复循环水泵运行时，多角沙粒对叶轮产生微切削式” 破坏，结果是汽蚀坑不断扩大、合并，坑壁由作用，而圆形沙粒则对其产生挤压、犁削作用，多于显微切削变得光滑。角沙粒的切削作用比圆形沙粒的犁削作用产生更大因此，叶轮/中国煤化王洞、渐开THCNMHG40TOTAL CORROSION CONTROLVOL.29 No.12 DEC.2015经验交流Experience Exchange式沟槽及麻点等是由于汽蚀加速的泥沙大角度机械冲组织 主要以高韧性的板条状含镍低碳马氏体为主。击作用形成的，叶片人水侧局部材料流失非常严重。采用超低碳马氏体不锈钢或马氏体沉淀硬化不1.3.3汽蚀加速的小角度冲击锈钢的叶轮寿命会延长，但两种材料的硬度分别为与叶片导流部分-一样， 在叶片出水侧主要以小HV301和HV339， 硬度仍远低于石英砂的硬度，其角度的磨削为主，小角度磨削作用的特征表现仍为使用寿命有待进一步的试验和工程验证!5。叶片均匀减薄，形成鱼鳞纹以及犁沟纹等。由于叶2.2 表面防腐耐磨处理片出水侧的线速度比导流部分要大，因而，叶片出核电厂海水循环水泵采用涂刷耐磨陶瓷涂层的水侧无论是背面还是正面，其磨损程度均比导流部防 腐进行防护，在一个大修周期内，耐磨陶瓷涂层分要大很多。整体性保持完好，局部冲刷腐蚀严重区域涂层会有同时，在叶片出水侧背面，由于局部出现了一定的消耗，总体上达到了牺牲涂层保护叶轮的目负压产生大量真空小气泡，负压降低后，小气泡湮的， 尤其是叶片流道部分和出水侧基本没有较大的灭，产生类似汽蚀的高频的强大冲击力的作用，形磨损， 叶片入水侧也未见明显的汽蚀坑、孔。成早期的麻点状汽蚀坑。汽蚀过程中气泡的破裂传3结论给泥沙的能量，使沙粒加速，增加了小角度冲击的破坏作用;而进入汽蚀坑的沙粒则对先期形成的汽海水循环水泵叶轮的损坏为典型的金属在固液蚀坑形成“往复式”破坏，结果是汽蚀坑不断扩双相流中的冲刷腐蚀，在泥沙机械冲刷、磨损的同大、合并，坑壁由于显微切削变得光滑，两个汽蚀时伴随着电化学腐蚀，并且泥沙机械冲刷、磨损损坏速率远大于海水腐蚀速率。坑的交错使得坑壁顶端形成刀刃状结构。根据叶轮失效的主要原因，综合合理选材和表技2解决措施面防腐耐磨处理两方面来延长叶轮的使用寿命，使术海水系统水泵叶轮的损坏为泥沙机械冲刷、磨用耐 磨陶瓷涂层达到了牺牲涂层以保护叶轮、延长损和海水腐蚀共同作用下的磨损腐蚀。延长叶轮使叶轮使 用寿命的目的。用寿命的方法有两种:(1)选择耐泥沙机械磨削性较好的材料制造叶轮; (2)采用经济性好的材料，通过表面工程技术，保证叶轮在使用一段时间后能以较参考文献小的代价进行维修使用。1] 陈吉余,陈沈良等。长江口南汇咀近岸水域泥沙输移途径[D]I.2.1合理选材长江流域资源与环境, 2001, 10(2): 166-172.海水循环水泵叶轮所用材料不适合在该电厂环[2] 车越,何清等高浊度河颗粒态重金属对泥沙运动的指示作用境下直接使用。其他奥氏体、铁素体、奥氏体-铁田.水利学报2003, 1(): 57-6.素体双向不锈钢以及中高温回火的马氏体不锈钢的31 向先保， 沙承点海水循环泵双相不锈钢叶十轮失效机理分析[I.水泵技术, 2012, 5: 38-42.金相组织均为奥氏体或/和铁素体，其耐显微磨削性不好。显微硬度较高的低温回火的高碳马氏体不锈[4]鲍旭东， 江腊涛.秦山核电站海水循环泵故障浅析I].水泵技术, 2004, 1:25-29.钢，耐磨削性很好，但韧性又太差。[5] 陆世英,张廷凯等主编.不锈钢[M].北京:原子能出版社, 1995:综合考虑耐磨削性和韧性，超低碳马氏体不锈23-64.钢(如: 00Cr13Ni5Mo)和马氏体沉淀硬化不锈钢(如[61 肖政渝. 含沙海水对电站水泵的影响及耐蚀处理措施I水泵17-4PH)是较合适的材料。这两类钢热处理后的微观技术, 2009, 1:16-21中国煤化工MHCNMHG全面腐蚀控制41第29卷第12期2015年12月