某核电站水环真空泵叶片断裂原因分析

某核电站水环真空泵叶片断裂原因分析

王鹏华陈兴祺

福建宁德核电有限公司

摘要：某公司凝汽器抽真空水环真空泵在日常运行期间发生叶片断裂故障，通过对真空泵叶片进行进一步分析，结果表明：真空泵断裂叶片的失效类型属于高周疲劳扩展断裂；引起叶片断裂的主要原因是叶片中存在的疏松缩孔类铸造缺陷；同时结合现场实际运行工况综合分析，在某些工况下会同时使用两台真空泵进行抽真空，此时单台泵的入口压力低，进气量不足，同时密封水温度高，在液环处会由于低压力以及密封水温度高的共同作用，达到密封水气化饱和温度，形成气泡，气泡在液环后续做压缩的过程中发生破裂，会导致真空泵内发生汽蚀，对叶轮造成冲击，使叶片寿命进一步受到影响。

关键字：真空泵；叶片；铸造缺陷；疲劳开裂

1.设备概况及故障现象

1.1设备概况

该真空泵由转子（叶片和轴）、泵壳、进口分配器、出口分配器、锥面体等组成。转子与泵壳之间有一偏心距，当转子在泵壳内旋转时，在泵壳内形成一个偏心的旋转液环，对凝汽器内的空气进行吸入、压缩和排出等过程，达到从凝汽器内抽出空气的目的。对两级液环式真空泵而言，第一级转子旋转从凝汽器中吸入不凝结空气，经压缩，最后从第一级排出口排气，直接与第二级进口相连，再经第二级压缩，从第二级出口排出至水气分离箱。

1.2故障现象

对故障真空泵解体检查发现首级叶轮一个叶片断裂，断片呈三角形，两条直角边长度约为150mm和50mm。断片表面有磨损且被压弯，其他叶片的端部也有不同程度的磨损。叶片断裂处从叶片靠近中间级配流盘侧根部开始，逐渐向端部延展，至端部彻底断裂。对断口进行目视检查，可以发现断口有明显颜色分层，主要分为两块区域，一块呈黄色，接近叶轮根部，另一块呈亮银色，靠近叶轮端部。对首级泵壳进行检查，其内壁有明显被刮碰的痕迹，裂缝断口呈新鲜粗糙的亮银色。

2.原因分析

针对可能引进真空泵叶片断裂的故障模式开展分析，通过对各类故障模式的对比分析，找出最可能引起事件发生的原因。

2.1原因因素1：异物导致卡涩、打击断裂

根据对旧泵的拆检情况检查，未见较大的异物；同时检查两级叶轮两侧，未发现明显刮碰摩擦的痕迹。因此可以初步排除因异物导致的卡涩、打击断裂的可能。

2.2原因因素2：泵体窜量变化，导致叶片与配流盘干涉

根据泵组安装要求，泵组窜量要求为：0.5-0.6mm，推力轴承间隙要求为：0.04-0.05mm。通过对旧泵解体检测，旧泵组总窜量为0.7mm，推力轴承间隙为0.08mm。窜量和推力间隙较大，同时推力间隙与总窜量相差较多，因此窜量变化不会导致叶片与配流盘干涉。

另外现场检查两级叶轮两侧及两侧配流盘,并未发现有碰磨痕迹。

通过以上分析，可排除泵体窜量变化，导致叶片与配流盘干涉引起叶片断裂的可能。

2.3原因因素3：制造缺陷

在事件发生后，将断裂叶轮整体外送进行失效分析，包括渗透检测、化学成分分析、拉伸试验、冲击试验、金相分析、维氏硬度试验、宏观观察。

根据试验结果，断裂叶片的基本特征如下：

1)断口由源区、扩展区和终断区组成，断口局部呈黑蓝色，为开裂过程中两侧开裂面碰磨氧化所致。

2)源区位于断裂侧的小R角处，未见补焊，距非驱动侧端面约12mm，呈直径约2mm的圆形，表面呈黑褐色；微观下源区为疏松缩孔类铸造缺陷；断口源区上除了基体元素外主要为铁的氧化物及少量铝、钛，未见腐蚀性元素。

3)扩展区相对平齐，呈近似平行的扩展棱；微观下明显可见疲劳条带。

4)终断位于与叶片外缘相交附近，表面较粗糙；微观下为韧窝形貌。

根据以上断裂的基本特征，判断真空泵叶片失效类型属于高周疲劳扩展断裂。

综上所述，在断裂区域可以发现明显的铸造收缩气孔，而由于液环式真空泵在运行过程中叶轮所受的负载在单片叶轮上表现为周期性变化的形式，叠加现场负荷变化，真空泵启停的情况。长期运行导致缺陷部位萌生疲劳裂纹，之后在交变应力的作用下，微裂纹由小R角侧向大R角侧和非断裂侧方向疲劳扩展，最终导致叶片瞬间失稳快速断裂。

因此本次真空泵叶轮断裂的根本原因是叶轮制造存在缺陷，具体缺陷类型为疏松缩孔类铸造缺陷。

2.4原因因素4：运行工况偏离设计要求

根据日常巡检记录表以及相关探头在线监测记录，未发现真空泵密封水温度、流量、一二级泵壳温度、泵腔温度等异常记录，泵无干运转情况，噪声振动均在合理范围内，电流值未超过额定电流值（额定值325A），上游负荷均在设计范围内。

查询泵组停运前的电流趋势，发现在泵停运前50分钟，电流开始缓慢上涨，从230A左右开始逐步上涨至245A，期间经过40分钟，然后电流达到246A，并开始剧烈波动，电流剧烈波动约6分钟左右，泵组自动停运，电流降为0。

对此现象进行分析：在电流剧烈波动的同时，整体趋势缓慢下降。初步判断此时叶轮已断裂，叶轮断片随叶轮在泵腔内搅动。由于此时叶轮断裂，泵腔内无法形成完整的水环，发生气体从叶轮间泄漏的情况，因此泵出力下降，负载下降，从而造成电流下降；电流剧烈波动约6分钟后，此时泵壳开裂，密封液流失，泵组自动停运，电流降为0。

电站现场在使用真空泵时，在某些工况下会同时使用两台真空泵进行抽真空。此时单台真空泵的入口压力偏低，进气量不足。若叠加夏季冷却水温度高，密封水温度偏高，在液环处会由于低压力以及高密封液温度的共同作用，达到水气化饱和温度，形成气泡。形成的气泡在液环后续做压缩的过程中发生破裂，会导致真空泵发生汽蚀，对叶轮造成冲击。若长期在这种工况下运行，泵的叶轮可能会发生损坏。

综上所述，在叶轮开裂前，泵整体运行工况良好，符合设计要求。但现场存在双泵运行工况下，此时对泵存在冲击，可能促成泵叶轮的损坏。

3.分析结论

直接原因

泵首级叶轮叶片断裂，断片随着叶轮旋转，在泵壳与叶轮最小间隙处碰撞挤压，导致泵壳开裂。

根本原因

叶轮存在铸造疏松气孔类缺陷，长期运行导致缺陷处产生高周疲劳损伤，最终扩展，叶轮断裂。

促成因素

真空泵长期双泵运行导致汽蚀，造成对叶轮的冲击。

4.结束语

真空泵是核电厂常规岛重要辅机设备，对机组的安全运行和经济性都起着重要作用。通过本次对真空泵断裂叶轮进行深入分析，确定根本分析及相关促成因素，对后继保障真空泵安全稳定运行起到积极作用。

同时结合分析结果，为了防止此类故障继续发生，后继在日常运行及检修过程上需要注意以下几方面：1、优化设备预防性检修大纲；2、对同型号叶轮进行PT着色探伤检查叶轮是否产生裂纹，如有裂纹则进行更换处理；3、优化运行模式，尤其防止夏季气温高长期双泵运行，避免超真空条件导致叶轮引起气蚀；4、优化备件采购技术要求，增加对叶轮备件进货时的检查内容，包括外观检查，气孔数量检查，PT着色探伤，并提高相应验收标准。

参考文献

[1]陈金生，CVI真空泵操作维修手册，鹤见真空工程（上海）有限公司，2011

[2]冯砚厅，某电厂真空泵叶轮叶片断裂原因分析，热加工工艺，2012：203-204、209