水泵叶轮外壳内衬裂纹的成因分析及对策措施

刘华进

（江苏省泰州引江河管理处，江苏泰州 225321）

1 工程概况

高港枢纽泵站安装立式开敞式轴流泵9台，其中，1～3#机组ZLB3000/35-4为半调节轴流泵，4～9#机组ZLQ3000/35-4为全调节轴流泵，总装机容量18000 kW，总抽排能力达300 m3/s。另外，下层流道可按设计流量160 m3/s自流引江。

流道型式为双层矩形流道，分上下2层，底层为进水流道，上层为出水流道，通过上下游闸门控制双向抽水。

2 机组运行情况

各机组历史运行开机台时（2003年6月至2013年5月）统计如图1所示。灌溉总运行7133 h，排涝总运行20917 h，单机平均运行3166 h，历史单机连续运行时间最多20 d。

3 叶轮外壳结构

高港枢纽机组叶轮外壳为球体型，外壳内表面中部镶嵌不锈钢带，外壳主材料为铸铁，内衬不锈钢为1Cr18Ni9Ti。其目的是为了提高抗汽蚀性能，且造价经济。

4 现场检查情况

汛前对1～3#机组排水检查，发现叶轮外壳内衬有不同程度的擦壳现象，其中，1#机组内衬1/4处出现开裂（如图 2），进一步对 4～9#机组进行检查，除4#、9#机外，也发现了不同程度的擦壳现象。对1#、2#机组水导轴承进行检查，轴和轴承磨损情况良好，轴承间隙为0.7～0.8 mm，叶轮与外壳间隙为2.5～3 mm，静止状态下除1#机外叶轮并无碰壳现象。从1#机组内衬开裂的断口特征判断，属于疲劳破坏。

图1 开机台时统计

图2 现场照片

5 故障分析

5.1 轮室壁面存在交变负荷

轴流泵端壁间隙存在间隙泄漏流，一是流速非常高，叶轮外缘线速度大，相对速度也非常高，与此速度平方成比例的压力下降很大；二是流动十分紊乱，轮室壁面承受着交变的压力负荷，易产生汽蚀破坏。

5.2 内衬镶嵌不牢靠

从已开裂的1#内衬可见，中部焊接销钉已脱焊，不锈钢与铸件焊缝部分开裂，敲击内衬时9台机组都有不同程度的空鼓现象，特别是已碰擦的部位，空鼓现象明显。

由于内衬镶嵌存在空鼓，在轮室壁面交变负荷的作用下，内衬不锈钢带产生流固耦合振动，引起运行工况下脱开的内衬部位与叶轮碰擦，严重时产生内衬疲劳破坏。

6 解决方案

对已开裂的1#内衬现场补焊，为防止裂缝扩展，在裂缝两端钻孔堆焊，对已错开的裂缝部位，边点焊边锺击，尽量使其恢复原位。因不锈钢材料焊接变形大，焊接采用点焊，焊接速度要快，先焊中部销钉处，再焊上下开裂处。裂缝不能满焊，如果内衬焊接严重变形，现场无法处理，焊接后要对焊点进行打磨。盘车确认叶轮与壳体间隙，方可投入运行。

对已有碰擦的内衬，按照内衬球面标准尺寸，制作样板，现场对碰擦部位进行打磨，打磨时以样板作参照。

根据外壳内衬损坏的程度，今后应逐台进行机组解体大修，更换内衬。

7 更换内衬工艺要求

原内衬镶嵌加工工艺存在的缺陷：①内衬与铸铁外壳用不锈钢销钉联接，不锈钢内衬钻孔与销钉焊接，破坏了内衬的整体性，焊接部分成为应力集中区，易开裂；②不锈钢与铸铁的接缝处，焊接质量难以控制，易开裂；③内衬与铸铁外壳难以完全贴合，存在空腔。

针对原有加工工艺缺陷，不锈钢与铸铁的联接采取焊接与结构坚固相结合，并堵塞空腔。重点工艺作如下改进（如图3）：①内衬与铸铁的铆接，采用铸件外壳钻锥孔，不锈钢焊条堆焊铆接；②不锈钢与铸铁的接缝处，将镶嵌底槽加工为燕尾槽形状，用不锈钢焊条堆焊；③内衬空腔采用环氧树脂灌缝胶进行高压灌胶，充分填补空腔。

本加工工艺中还要注意的是，焊后要进行消除应力热处理，热处理后再灌胶，待胶凝固后再进行精加工。

图3 镶嵌内衬局部视图

8 结语

叶轮外壳镶嵌不锈钢内衬的加工工艺，应作为水泵生产加工的重点，否则会危及水泵机组的运行安全，造成重大的经济损失。同类型水泵机组，应把叶轮外壳列为重点检查项目，适时按新的工艺要求进行更新改造。