污水处理厂用叶轮断裂失效分析

污水处理厂用叶轮断裂失效分析

叶轮通常用作曝气器以实现水体循环，必须经过充分测试，以防服役期间发生失效。叶轮是离心式压缩机中的旋转部件，在运行中承受多种动态载荷，包括转速跃升、喘振、摩擦载荷及异物冲击等。这些动态载荷可能影响材料性能，如疲劳强度和断裂韧性。

在叶轮运行过程中，始终存在不稳定的交变应力，且持续负载不断增大。持续工作应力主要源于转子在运转时产生的离心力；而不稳定交变应力则主要源于实际服役期间的随机载荷。

发现存在一条连接两个用于将叶轮固定于轴上的安装孔的裂纹。同时还观察到，该裂纹起始于孔边缘并向叶轮本体内部扩展（图2b）。推测这些孔的机加工精度不足，建议在两孔两侧均加工1X45°倒角，以降低孔边缘的应力集中。

图3 叶轮因两安装孔间产生裂纹而导致部分断裂

如图3所示，该裂纹可连接两个孔，从而导致叶轮局部断裂。

图4 （a）靠近孔洞的断口表面；（b）靠近孔洞的断口表面高倍放大图

 

如图4a所示，对受损叶轮断口表面的细致观察表明，该裂纹属于疲劳裂纹。发现孔洞处存在疲劳断裂，可分为疲劳断裂区和最终断裂区两个区域，其中疲劳断裂区面积大于最终断裂区。这意味着在最终断裂发生前，疲劳裂纹必然已扩展了一段时间。图4b展示了该断口表面的更高倍率图像。

该叶轮安装于一根与电机相连的轴上，所有部件均固定于混凝土天花板上。现场检测发现混凝土天花板存在若干裂缝。这些天花板裂缝导致导致轴连接失效，进而引发轴旋转失准。

图6 损坏叶轮的显微组织

样品的整体组织由铁素体和珠光体。叶轮含碳量0.04%的低碳钢。硬度176HV；抗拉443MPa均符合要求。

图7 非金属夹杂物

本钢合金中存在的非金属夹杂物归类为D 类球状氧化物（轻系列）。组织结构取自样品的不同部位。所研究的夹杂物尺寸介于6至12微米之间。由于夹杂物可作为微孔和裂纹的形核位置，其会损害钢的力学性能。

图8 （a）疲劳裂纹从边缘向表面内部起始；（b）断口表面存在裂纹。

为确定真实失效原因，使用自动切割机在断口起源附近截取试样，并采用扫描电子显微镜进行检验。断口表面图像见图8。断口表面较为平整，其上有一条贯穿线。此类断口可归类为准解理脆性断裂。断口表面清晰显示一条疲劳裂纹自表面边缘向叶轮本体内部扩展（图8a）。此外，在断口表面还观察到若干裂纹，表明为疲劳失效模式（图8b）。

图9 断口表面存在的孔洞

还在断口表面发现若干孔洞，表明所用钢材制造过程中存在非金属夹杂物（图9a）。这些非金属夹杂物将在动态载荷作用下促进裂纹在边缘或材料内部萌生。此外，裂纹可始于孔洞或表面任何缺陷点，并迅速扩展。本例中，因顶板裂纹导致旋转轴失准，从而对旋转叶轮施加了动态载荷。此外，叶轮中心存在多个孔洞，使该区域应力高度集中（图9b）。

图10 孔径变形区域

另外，在连接叶轮与旋转轴的孔洞中还发现了若干变形区域，如图10所示。这表明旋转轴存在失准现象，致使紧固螺钉在旋转过程中受到冲击。

图11 叶轮本体与叶片之间存在尖锐边缘

此外，在叶轮外表面焊缝的热影响区（HAZ）也发现若干裂纹，如图11所示。这些裂纹由焊缝区域旁的尖锐边缘引发并扩展。此类尖锐边缘必然造成应力高度集中，从而在热影响区（HAZ）形成裂纹（图12）。

图12 叶片与叶轮本体之间热影响区（HAZ）的裂纹形成

 

结论

1、根据金相检验结果，可得出以下几点结论：

1）混凝土顶板存在裂纹。这些裂纹导致转轴旋转失准，进而引发新的裂纹。

2）孔洞加工不规整，边缘呈不规则形状；叶轮本体与叶片之间的焊缝区域附近存在尖锐边缘。

3）钢合金中存在非金属夹杂物。

2、失效原因：结合对损坏叶轮所开展的金相检验与振动测试结果，失效主因似乎是叶轮所悬吊的混凝土顶板存在裂纹。这些裂纹造成转轴旋转失准，进而在固定用孔洞处产生裂纹，最终在疲劳载荷作用下发生失效。这些裂纹可在金属内部（表面正下方）形成，或始于孔洞表面并延伸至叶轮材料芯部。这两种机制均极为危险，将导致服役期间发生失效。另一方面，叶轮本体与叶片之间焊缝区域附近的尖锐边缘会引起应力高度集中，从而诱发裂纹。

3、改进建议：混凝土顶板应进行处理并采用钢结构加固，以承受动态载荷。叶轮在安装前亦应采用无损检测技术进行检查，并核查焊缝区域附近的孔洞及尖锐边缘，以防服役中发生此类失效。