1 000 MW机组循环水泵筒体开裂的原因分析及处理

萧猛，吴华强

（浙江浙能嘉兴发电有限公司，浙江嘉兴314201）

1 000 MW机组循环水泵筒体开裂的原因分析及处理

萧猛，吴华强

（浙江浙能嘉兴发电有限公司，浙江嘉兴314201）

针对某1 000 MW机组循环水泵在运行中出现筒体开裂现象，从循环水泵筒体法兰和焊缝材料、法兰与焊缝区域的金相组织对比、焊接工艺、设计与制造等几个方面进行了分析，得出法兰之间拼接焊缝存在严重的未焊透缺陷、法兰和筒体的角焊缝坡口设计不合理是引发筒体发生过早断裂的重要原因。针对性地采取相应处理措施后，消除了循环水泵筒体开裂隐患。

1 000 MW机组；循环水泵；筒体；共振频率

循环水泵是火力发电厂重要的辅助设备之一，它的可靠运行是发电厂安全经济运行的重要保证。循环水泵的工作环境相对恶劣，尤其是地处沿海的发电厂，长期处于露天、腐蚀、水位多变等恶劣的条件下工作，导致故障率偏高。某沿海发电厂1台1 000 MW机组循环水泵在运行时出现了筒体开裂的情况，以下重点介绍开裂原因，并提出了相应的处理措施。

1 筒体开裂情况

1.1 设备简介

某发电厂1 000 MW机组于2011年10月20日正式投入商业运营，循环水泵由日立泵制造（无锡）有限公司生产，泵壳材质为双相不锈钢S31803（00Cr22Ni5Mo3N）材料，叶轮和橡胶导轴承均为日本进口。循环水泵的结构由泵体和抽芯两部分组成，其中泵体部件自下而上由进水喇叭、1节喇叭接管、4节中间接管（筒体）和吐出弯管组成。技术参数如表1所示。

表1 循环水泵技术规范

1.2 筒体开裂的检查

某日该机组循环水泵A正常运行中电流出现突升，由325 A升至405 A，同时电机推力轴承温度由65℃突升至70℃，运行人员紧急停运循环水泵。

停机后解体循环水泵检查发现轴承支架碎裂，支撑筋裂开达6处；轴承座焊缝裂开；叶轮与导流体的密封环从导流体上掉落，与叶轮一起旋转；导流体的内平面有磨损痕迹；下润滑水套管与轴承座连接的止口均有磨损和撞击的痕迹；泵筒体3个中间接管均有裂纹，其中最严重的一段是中间接管下法兰，约2/3都已裂开，中间法兰有1处裂纹轴向贯穿，除最上面的循环水泵泵体接管外，其余几个接管（筒体）均出现了近30处的严重开裂，断裂源发生在法兰和筒体的焊缝处。其中1个接管开裂情况如图1所示。

图1 中间接管开裂情况

2 开裂原因分析

2.1 循环水泵筒体法兰和焊缝材料分析

经检测，循环水泵法兰和外壳筒体材料是双相不锈钢，其成分和显微组织完全符合美国ASTM S31803和GB/T 21833标准的要求，质量评定合格。焊缝的化学元素与标准有差异，检查结果如表2所示。

2.2 法兰与焊缝区域的金相组织对比

图2为法兰铁素体和奥氏体显微照片，铁素体和奥氏体含量基本上各占50%，符合双相不锈钢材料中奥氏体和铁素体金相的比例要求。

图3为取样焊缝区域的显微照片，其中铁素体组织含量高达80%左右，奥氏体只占20%左右。焊缝区域的奥氏体和铁素体组织不匹配，对焊缝的韧性有较大的影响。

表2 循环水泵外壳筒体、法兰及焊缝化学成分的质量百分比及标准值%

图2 法兰铁素体和奥氏体显微照片

图3 取样焊缝区域的显微照片

2.3 焊接工艺分析

制造厂对此类法兰和筒体焊接工艺要求如表3所示。为保证质量，特别要求做到以下几点：

（1）在焊接过程中焊接线能量应尽可能降低，奥氏体膨胀系数大，冷收缩应力大，易产生裂纹；

（2）焊前需预热，可以减少热影响区的淬硬倾向，减缓冷却速度，防止裂纹的产生；

（3）对铁素体焊后进行热处理，以消除焊接应力，降低硬度，改善组织结构。

表3 法兰和筒体的焊接要求

通过调查显示，现场工人在焊接期间未严格按上述焊接工艺要求进行焊接工作，这是导致奥氏体、铁素体比例不匹配的重要原因。

2.4 制造原因分析

对循环水泵中间接管1与喇叭接管的法兰面进行取样分析，发现法兰焊接断面有图4所示的贯穿的未焊透缺陷，而且存在疲劳裂纹，由里向外扩展。

图4 法兰焊接断面未焊透缺陷

该循环水泵筒体是由17 mm厚的双向不锈钢板卷制成的内径为2 200 mm的圆柱形筒体，法兰由4块90℃的拼接成一个整体，法兰与筒体通过角焊缝连接。

图5是制造厂焊缝坡口形式的例子，有破口的母材厚度为5～200 mm。图6黑色部分为角焊缝，图7为角焊缝放大后图片。

图5 筒体的角焊缝

图6 焊接坡口形式

图7 筒体角焊缝放大

坡口钝边减小了打底时的角度，增加了打底时的焊接难度，同时也使外侧焊接困难。破口角度偏小使得在焊接中出现的容重难以顺利的熔出，增加焊接缺陷产生的几率；打底过程中钝边的存在影响焊接的熔透性，熔透性的下降直接影响焊接质量，多以夹渣和未融合的形式表现，实际产生最多的是夹渣。

检查发现，图7放大区域元素含有很高的碳和氧元素，表明是有机物，如表4所示。焊缝金属含氧量增加，焊缝力学性能大大下降，低温冲击韧性明显下降，引起冷脆，使得焊件在低温条件下的安全性降低。

表4 角焊缝元素分析

对焊接区域用气体进行保护，防止空气与熔化金属进行接触，是控制焊缝金属中含氧量的重要手段。氧还可以通过很多渠道进入焊缝中，必须对熔化金属中的氧进行处理，如扩散脱氧、脱氧剂脱氧等。从检查的结果看，对焊接区域用气体进行保护，这项措施做的明显不到位。

2.5 设计原因

该循环水泵的转速为372 r/min，旋转频率为6．2 Hz，叶轮级数为5级。循环水泵流体模型频率为31 Hz，与固定振动频率31．58 Hz很接近，从而引起循环水泵共振。

3 检查结论

（1）经检测，循环水泵法兰和外壳筒体材料是双相不锈钢，其成分和显微组织完全符合美国ASTM标准、国标的要求，质量评定合格。

（2）不同段法兰之间拼接焊缝存在严重的未焊透缺陷，这是导致循环水泵外壳筒体发生异常断裂的根本原因。

（3）法兰和筒体的角焊缝存在焊接缺陷，这种焊缝坡口设计上的不合理，是引起焊接强度显著下降、进而引发循环水泵筒体发生过早开裂的另一重要原因。

（4）焊缝处奥氏体组织和铁素体组织不匹配，奥氏体组织比例仅20%左右，高倍下微区有大量微裂纹，这是导致焊缝脆化、不能有效抵御疲劳振动载荷的又一原因。

（5）循环水泵频率接近泵体固有频率，共振使上述焊接缺陷加速扩展，短时间内由法兰与筒体的角焊缝、法兰间的对接焊缝迅速向周围扩散，筒体、法兰二次开裂，甚至形成闭合的裂纹，导致筒体部分掉落。

4 处理措施

（1）在对法兰段进行拼接焊时，必须严格按照焊接工艺规程执行，焊后进行100%无损探伤，检验不合格者必须返修和补焊，直到满足质量要求为止。

（2）法兰和筒体之间的焊缝坡口改为K型，加强焊接管理，彻底消除人为造成的焊接缺陷，以提高法兰和筒体间的焊接强度。

（3）鉴于法兰和筒体间厚度不同，调整和优化一些焊接工艺参数，如焊接线能量、焊接速度、焊层间温度等，使奥氏体和铁素体组织相匹配，以提高焊缝的韧性。

（4）对拼接法兰进行焊后热处理，消除环向残余应力；同时可以沿筒体周向增焊加强筋，以提高整体的刚度。

（5）按表5所示增设加强筋，避开循环水泵共振区域，降低循环水泵振动引起筒体焊接缺陷加速扩展的可能。

表5 改变循环水泵共振频率的措施

5 结语

实施以上措施后，该循环水泵运行至今没有出现异常，检修期间解体检查，循环水泵各部件完好，这表明循环水泵筒体开裂的原因分析与处理措施正确。

[1]董远景，孙志宝．循环水泵叶轮损坏原因分析及解决对策[J]．四川电力技术，2004（2）∶35－36．

[2]杨青柏，白占桥．循环水泵轴开裂原因分析[J]．华北电力技术，2011（9）∶48－50．

[3]周加平．循环水泵断轴原因分析及防范[J]．江西电力, 2006（3）∶28－31．

（本文编辑：陆莹）

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

萧猛（1978-），男，杭州人，在职研究生，工程师，主要从事汽轮机与节能技术工作。