1 000 MW機組循環(huán)水泵筒體開裂的原因分析及處理

蕭猛，吳華強

（浙江浙能嘉興發(fā)電有限公司，浙江嘉興314201）

1 000 MW機組循環(huán)水泵筒體開裂的原因分析及處理

蕭猛，吳華強

（浙江浙能嘉興發(fā)電有限公司，浙江嘉興314201）

針對某1 000 MW機組循環(huán)水泵在運行中出現(xiàn)筒體開裂現(xiàn)象，從循環(huán)水泵筒體法蘭和焊縫材料、法蘭與焊縫區(qū)域的金相組織對比、焊接工藝、設計與制造等幾個方面進行了分析，得出法蘭之間拼接焊縫存在嚴重的未焊透缺陷、法蘭和筒體的角焊縫坡口設計不合理是引發(fā)筒體發(fā)生過早斷裂的重要原因。針對性地采取相應處理措施后，消除了循環(huán)水泵筒體開裂隱患。

1 000 MW機組；循環(huán)水泵；筒體；共振頻率

循環(huán)水泵是火力發(fā)電廠重要的輔助設備之一，它的可靠運行是發(fā)電廠安全經(jīng)濟運行的重要保證。循環(huán)水泵的工作環(huán)境相對惡劣，尤其是地處沿海的發(fā)電廠，長期處于露天、腐蝕、水位多變等惡劣的條件下工作，導致故障率偏高。某沿海發(fā)電廠1臺1 000 MW機組循環(huán)水泵在運行時出現(xiàn)了筒體開裂的情況，以下重點介紹開裂原因，并提出了相應的處理措施。

1 筒體開裂情況

1.1 設備簡介

某發(fā)電廠1 000 MW機組于2011年10月20日正式投入商業(yè)運營，循環(huán)水泵由日立泵制造（無錫）有限公司生產(chǎn)，泵殼材質(zhì)為雙相不銹鋼S31803（00Cr22Ni5Mo3N）材料，葉輪和橡膠導軸承均為日本進口。循環(huán)水泵的結(jié)構(gòu)由泵體和抽芯兩部分組成，其中泵體部件自下而上由進水喇叭、1節(jié)喇叭接管、4節(jié)中間接管（筒體）和吐出彎管組成。技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 循環(huán)水泵技術(shù)規(guī)范

1.2 筒體開裂的檢查

某日該機組循環(huán)水泵A正常運行中電流出現(xiàn)突升，由325 A升至405 A，同時電機推力軸承溫度由65℃突升至70℃，運行人員緊急停運循環(huán)水泵。

停機后解體循環(huán)水泵檢查發(fā)現(xiàn)軸承支架碎裂，支撐筋裂開達6處；軸承座焊縫裂開；葉輪與導流體的密封環(huán)從導流體上掉落，與葉輪一起旋轉(zhuǎn)；導流體的內(nèi)平面有磨損痕跡；下潤滑水套管與軸承座連接的止口均有磨損和撞擊的痕跡；泵筒體3個中間接管均有裂紋，其中最嚴重的一段是中間接管下法蘭，約2/3都已裂開，中間法蘭有1處裂紋軸向貫穿，除最上面的循環(huán)水泵泵體接管外，其余幾個接管（筒體）均出現(xiàn)了近30處的嚴重開裂，斷裂源發(fā)生在法蘭和筒體的焊縫處。其中1個接管開裂情況如圖1所示。

圖1 中間接管開裂情況

2 開裂原因分析

2.1 循環(huán)水泵筒體法蘭和焊縫材料分析

經(jīng)檢測，循環(huán)水泵法蘭和外殼筒體材料是雙相不銹鋼，其成分和顯微組織完全符合美國ASTM S31803和GB/T 21833標準的要求，質(zhì)量評定合格。焊縫的化學元素與標準有差異，檢查結(jié)果如表2所示。

2.2 法蘭與焊縫區(qū)域的金相組織對比

圖2為法蘭鐵素體和奧氏體顯微照片，鐵素體和奧氏體含量基本上各占50%，符合雙相不銹鋼材料中奧氏體和鐵素體金相的比例要求。

圖3為取樣焊縫區(qū)域的顯微照片，其中鐵素體組織含量高達80%左右，奧氏體只占20%左右。焊縫區(qū)域的奧氏體和鐵素體組織不匹配，對焊縫的韌性有較大的影響。

表2 循環(huán)水泵外殼筒體、法蘭及焊縫化學成分的質(zhì)量百分比及標準值%

圖2 法蘭鐵素體和奧氏體顯微照片

圖3 取樣焊縫區(qū)域的顯微照片

2.3 焊接工藝分析

制造廠對此類法蘭和筒體焊接工藝要求如表3所示。為保證質(zhì)量，特別要求做到以下幾點：

（1）在焊接過程中焊接線能量應盡可能降低，奧氏體膨脹系數(shù)大，冷收縮應力大，易產(chǎn)生裂紋；

（2）焊前需預熱，可以減少熱影響區(qū)的淬硬傾向，減緩冷卻速度，防止裂紋的產(chǎn)生；

（3）對鐵素體焊后進行熱處理，以消除焊接應力，降低硬度，改善組織結(jié)構(gòu)。

表3 法蘭和筒體的焊接要求

通過調(diào)查顯示，現(xiàn)場工人在焊接期間未嚴格按上述焊接工藝要求進行焊接工作，這是導致奧氏體、鐵素體比例不匹配的重要原因。

2.4 制造原因分析

對循環(huán)水泵中間接管1與喇叭接管的法蘭面進行取樣分析，發(fā)現(xiàn)法蘭焊接斷面有圖4所示的貫穿的未焊透缺陷，而且存在疲勞裂紋，由里向外擴展。

圖4 法蘭焊接斷面未焊透缺陷

該循環(huán)水泵筒體是由17 mm厚的雙向不銹鋼板卷制成的內(nèi)徑為2 200 mm的圓柱形筒體，法蘭由4塊90℃的拼接成一個整體，法蘭與筒體通過角焊縫連接。

圖5是制造廠焊縫坡口形式的例子，有破口的母材厚度為5～200 mm。圖6黑色部分為角焊縫，圖7為角焊縫放大后圖片。

圖5 筒體的角焊縫

圖6 焊接坡口形式

圖7 筒體角焊縫放大

坡口鈍邊減小了打底時的角度，增加了打底時的焊接難度，同時也使外側(cè)焊接困難。破口角度偏小使得在焊接中出現(xiàn)的容重難以順利的熔出，增加焊接缺陷產(chǎn)生的幾率；打底過程中鈍邊的存在影響焊接的熔透性，熔透性的下降直接影響焊接質(zhì)量，多以夾渣和未融合的形式表現(xiàn)，實際產(chǎn)生最多的是夾渣。

檢查發(fā)現(xiàn)，圖7放大區(qū)域元素含有很高的碳和氧元素，表明是有機物，如表4所示。焊縫金屬含氧量增加，焊縫力學性能大大下降，低溫沖擊韌性明顯下降，引起冷脆，使得焊件在低溫條件下的安全性降低。

表4 角焊縫元素分析

對焊接區(qū)域用氣體進行保護，防止空氣與熔化金屬進行接觸，是控制焊縫金屬中含氧量的重要手段。氧還可以通過很多渠道進入焊縫中，必須對熔化金屬中的氧進行處理，如擴散脫氧、脫氧劑脫氧等。從檢查的結(jié)果看，對焊接區(qū)域用氣體進行保護，這項措施做的明顯不到位。

2.5 設計原因

該循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速為372 r/min，旋轉(zhuǎn)頻率為6．2 Hz，葉輪級數(shù)為5級。循環(huán)水泵流體模型頻率為31 Hz，與固定振動頻率31．58 Hz很接近，從而引起循環(huán)水泵共振。

3 檢查結(jié)論

（1）經(jīng)檢測，循環(huán)水泵法蘭和外殼筒體材料是雙相不銹鋼，其成分和顯微組織完全符合美國ASTM標準、國標的要求，質(zhì)量評定合格。

（2）不同段法蘭之間拼接焊縫存在嚴重的未焊透缺陷，這是導致循環(huán)水泵外殼筒體發(fā)生異常斷裂的根本原因。

（3）法蘭和筒體的角焊縫存在焊接缺陷，這種焊縫坡口設計上的不合理，是引起焊接強度顯著下降、進而引發(fā)循環(huán)水泵筒體發(fā)生過早開裂的另一重要原因。

（4）焊縫處奧氏體組織和鐵素體組織不匹配，奧氏體組織比例僅20%左右，高倍下微區(qū)有大量微裂紋，這是導致焊縫脆化、不能有效抵御疲勞振動載荷的又一原因。

（5）循環(huán)水泵頻率接近泵體固有頻率，共振使上述焊接缺陷加速擴展，短時間內(nèi)由法蘭與筒體的角焊縫、法蘭間的對接焊縫迅速向周圍擴散，筒體、法蘭二次開裂，甚至形成閉合的裂紋，導致筒體部分掉落。

4 處理措施

（1）在對法蘭段進行拼接焊時，必須嚴格按照焊接工藝規(guī)程執(zhí)行，焊后進行100%無損探傷，檢驗不合格者必須返修和補焊，直到滿足質(zhì)量要求為止。

（2）法蘭和筒體之間的焊縫坡口改為K型，加強焊接管理，徹底消除人為造成的焊接缺陷，以提高法蘭和筒體間的焊接強度。

（3）鑒于法蘭和筒體間厚度不同，調(diào)整和優(yōu)化一些焊接工藝參數(shù)，如焊接線能量、焊接速度、焊層間溫度等，使奧氏體和鐵素體組織相匹配，以提高焊縫的韌性。

（4）對拼接法蘭進行焊后熱處理，消除環(huán)向殘余應力；同時可以沿筒體周向增焊加強筋，以提高整體的剛度。

（5）按表5所示增設加強筋，避開循環(huán)水泵共振區(qū)域，降低循環(huán)水泵振動引起筒體焊接缺陷加速擴展的可能。

表5 改變循環(huán)水泵共振頻率的措施

5 結(jié)語

實施以上措施后，該循環(huán)水泵運行至今沒有出現(xiàn)異常，檢修期間解體檢查，循環(huán)水泵各部件完好，這表明循環(huán)水泵筒體開裂的原因分析與處理措施正確。

[1]董遠景，孫志寶．循環(huán)水泵葉輪損壞原因分析及解決對策[J]．四川電力技術(shù)，2004（2）∶35－36．

[2]楊青柏，白占橋．循環(huán)水泵軸開裂原因分析[J]．華北電力技術(shù)，2011（9）∶48－50．

[3]周加平．循環(huán)水泵斷軸原因分析及防范[J]．江西電力, 2006（3）∶28－31．

（本文編輯：陸瑩）

Cause Analysis and Treatment of Barrel Crack of Circulating WaterPump for 1 000 MW Units

XIAO Meng，WU Huaqiang
（Zhejiang Zheneng Jiaxing Power Generation Co.，Ltd.，Jiaxing Zhejiang 314201，China）

Aiming at barrel crack of operating circulating water pump of a 1 000 MW unit，the paper analyzes the causes in terms of welding materials and barrel flange of circulating water pump，comparison of metallographic structures of flange and welding area，welding technology,manufacture and design.It is concluded that the fundamental causes of unduly barrel crack are incomplete penetration of joint welding line between flanges and unreasonable design of fillet groove of flanges and barrel.After targeted measures are taken,the hazard of barrel crack in circulating water pump is eliminated.

1 000 MW units；circulating water pump；barrel；resonance frequency

TK264.1

：B

：1007-1881（2014）07-0073-04

2014-02-17

蕭猛（1978-），男，杭州人，在職研究生，工程師，主要從事汽輪機與節(jié)能技術(shù)工作。