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摘 要：叶片断裂是水泵常见事故，对水泵运行的可靠性影响较大，为此，如何处理好水泵叶片断裂问题是用户极为关心的话题。本文针对某排涝水泵叶片断裂事故，对叶片断裂机理和原因进行了论述，并且提出处理措施以避免再次发生这类事故。
关键词：水泵；叶片断裂；机理；处理措施
水泵除了水力和砂粒的磨损之外，由于长时间在水环境中水泵受到各种腐蚀的作用，使表面由光滑坚硬变为粗糙疏松。水流在不断流经这些表面时阻力增大，导致水泵性能降低，产生噪音和振动，严重时使水泵零部件发生断裂，其中叶片断裂就是最为常见。叶片一旦发生断裂，将给水泵的运行带来安全隐患。为此，了解叶片断裂的机理原因，采取相应的处理措施，对提高水泵运行安全具有现实意义。
1 叶片断裂事故概况
某排涝站潜水混流泵，设计参数是，电机功率P=220kW，流量Q-4219m3/h，扬程日=13.7m，转速n=740r/min。运行16213h后，水泵机组出现异常振动，经查明，叶片断裂两片，均位于叶型边缘，裂纹长度分別为25cm和40cm。
该排涝站属间隔式运行，停机时间多于运行时间。由于停机期间未及时保养维护，故叶轮及叶片腐蚀严重。
2 水泵叶片断裂机理
（1）机械性能分析。该泵叶片由QT-600球墨铸铁铸造制成，高温正火处理，其机械性能如表1所示。
表1 叶片的机械性能
由表1看出，叶片机械性能基本合格，但塑性和韧性稍偏低。
（2）断口分析。断片用丙酮彻底去除残余污垢及腐蚀物，并用无水乙醇清洗吹干，取样显微观察，其金相组织为珠光体，断口处显微形貌特征。
（3）疲劳断裂。疲劳断裂是由于叶片在水力和泥砂冲击应力反复作用下发生了疲劳积累，在交变动载荷条件下，经过一定周期后所发生的断裂。
（4）应力腐蚀断裂。应力腐蚀断裂是受拉应力和腐蚀环境共同作用所导致的脆性断裂。引起叶片应力腐蚀断裂的因素只能是拉应力，这种拉应力包括外加应力和叶片的残余应力，而残余应力主要来源于铸造、热处理、加工及装配过程。
（5）综合分析结论。叶片断裂整个过程包括两个方面，一是水力冲击引起的疲劳断裂；二是磨损及腐蚀引起的应力腐蚀断裂。从断口的形态图上可以看出，叶片断裂首先始于疲劳开裂，在经历长时间的运行之后发生水下冲击疲劳裂纹。
3 水泵叶片断裂的原因分析
（1）叶片材质及加工质量。叶片的断裂失效与材质密切相关，材料的抗拉强度、屈服强度、硬度及耐腐蚀性均与断裂有直接关系，同时，若金属中含有较多的非金属夹杂物，对叶片材料的应力腐蚀断裂比较敏感。另外，叶片铸造加工过程中有夹杂、孔洞等隐形缺陷存在时，这些显微疏松组织往往是疲劳断裂和应力腐蚀断裂的危险源，使叶片提前发生脆性断裂。
（2）过负荷。水泵超负荷运行，偏离设计工况点，使材料本身所要求的机械性能指标发生变化。水泵过负荷包括两种情况，一种是实际运行工况超过设计工况，使水力冲击应力加大；另一种是污水中含有粗大的杂质和硬物，使叶片受到激烈的冲击阻力和振动。当水泵长期过负荷运行时，外加载荷超过叶片材料危险截面所能承受的极限应力，将发生断裂失效。
（3）临界转速的影响。叶轮、叶片及泵轴组成的转子，由于受材质、加工及装配等方面的影响，不可能做到“绝对平衡”，其质心与轴心之间总存在一偏心距，因而产生周期性的干扰力和力矩。当这种不平衡力和力矩的频率接近转子的固有振动频率时，转子发生强烈振动，此时的转速即为临界转速，其值为，式中5为转子的刚性系数，m为转子的质量。当发生共振时，加剧了叶片与叶轮毂之间的磨损，严重时则使叶片扭断。
（4）污水浓度及pH值的影响。污水中含有大量的真菌、霉菌和水藻等微生物，这些微生物新陈代谢的产物，如黑色有难闻气味的硫化物和有机酸等造成恶劣的腐蚀环境，一方面改变介质中氧的浓度和pH值，同时由于水内细菌和真菌的腐化分解，水中可能有溶解的H2S。因H2S作用而产生的硫化铁加剧了腐蚀过程；另一方面微生物的排渍物在叶片表面沉积和附着，使叶片表面形成局部腐蚀微裂纹。因此，污水含杂质浓度越高，越易发生应力腐蚀断裂。另一个重要参数是pH值。污水的pH值代表介质中氢离子浓度的大小，氢离子是影响腐蚀的最主要因素之一。低的pH值使金属腐蚀产物的溶解度发生改变，金属表面保护膜的稳定性也发生改变，从而间接影响叶片的腐蚀速度，加速叶片的腐蚀而发生应力腐蚀断裂。
（5）磨损和腐蚀的影响。抽送介质含有大量的泥砂颗粒，这些具有一定冲击动能的砂粒就像无数颗小弹头，以不同角度冲击泵壳及叶片表面，在砂粒磨损的作用下，叶片表面受到微切削，使其过早失去强度。同时。由于砂粒的不对称磨损，造成叶轮转子质量不平衡，使泵机组振动加剧，污水与叶片表面相对运动所引起的腐蚀有两种形式，一种是湍流腐蚀，这种湍流加大了腐蚀剂的流量，而且附加了一个流动介质对叶片表面的切应力，使腐蚀产物一旦形成就剥离并被冲走。如果介质中有气泡或悬浮固体颗粒，会加剧这种磨损和腐蚀。另一种形式是空泡腐蚀，即流体介质与叶轮作高速相对运动，在叶片表面局部区域产生涡流，并伴随有气泡的迅速生成与破灭，产生冲击波而不断破坏表面膜。磨损和腐蚀的联合作用使叶片过流表面出现鱼鳞状小凹坑和短程沟槽，并有蜂窝状麻点产生，逐渐形成微裂纹，严重时使叶片出口边磨损折断。
4 水泵叶片断裂处理措施
（1）断裂设计与校核。应用断裂力学方法进行设计，以断裂力学指标KlC（实际断裂韧性指标）和KlSCC（临界强度因子）作为叶片断裂校核的标准。为避免发生应力腐蚀断裂，要求叶片工作时KlC （3）提高叶片的制造和加工质量。当材料选定后，叶片的制造和安装工艺是相当重要的一环。为提高叶片综合机械性能，可采用调质处理或等温淬火等热处理工艺。热处理时应严格控制加热温度、保温时间和冷却速度，避免产生有害金相组织。叶片铸件应尽量减少砂眼、气孔、夹杂和裂纹等缺陷。对于焊接叶轮，要保证焊缝质量，严格按照标准进行探伤检验。另外，在叶片表面进行喷丸、渗碳或渗氮等强化处理，可增加表面残余压应力，有效提高抗疲劳强度。对于新叶轮和叶片可在其表面喷涂环氧金刚砂面层保护，使叶片流道不受磨蚀。
（4）运行条件的控制。严格控制水泵的运行条件是防止断裂事故的有效措施。水泵实际运行工况点尽量控制在高效区范围，避免超负荷运转和振动。
（5）精心维护与维修。加强水泵维护与维修管理，严格执行泵站技术规范和管理规程，定期对水泵进行维护与保养，提高叶片使用寿命。维修期间，要对叶片腐蚀和磨损严重部位进行裂纹探伤，及早发现叶片的裂纹与缺陷。对已经发生磨蚀和有微裂纹的叶片，及早进行修复，防止磨蚀和微裂纹快速扩大。目前采用的表面处理方法有以下3种。①非金属涂层法。将环氧树脂、聚氨脂、陶瓷、玻璃或复合尼龙等非金属材料，经过一定的配方和工艺处理，将其喷涂在叶片被磨蚀表面进行修复。②合金粉末喷焊法。喷焊防护是随着低熔点粉末材料的研制成功而在喷涂和堆焊基础上发展起来的一种金属表面保护技术。③补焊法。补焊是用不锈钢焊条补焊磨蚀部分，经打磨抛光后使用，寿命一般可提高3～5倍。
5 结束语
目前，不少排涝水泵都存在着叶片断裂问题，一直都未能得到有效根治，在一定程度上增加了水泵檢修频次及设备维修费用和影响了水泵正常运行和机泵的使用安全。但笔者相信，随着对水叶片断裂问题研究的不断深入，新工艺和新技术的产生，水泵叶片的断裂问题将能得到有效解决。
参考文献
[1] 张艳；张霁菁；王印培.某海水泵叶片断裂失效分析[J].金属热处理，2007年第S1期
[2] 李行.循环水泵叶片断裂故障实例分析[J].科技资讯，2007年第09期
关键词：水泵；叶片断裂；机理；处理措施
水泵除了水力和砂粒的磨损之外，由于长时间在水环境中水泵受到各种腐蚀的作用，使表面由光滑坚硬变为粗糙疏松。水流在不断流经这些表面时阻力增大，导致水泵性能降低，产生噪音和振动，严重时使水泵零部件发生断裂，其中叶片断裂就是最为常见。叶片一旦发生断裂，将给水泵的运行带来安全隐患。为此，了解叶片断裂的机理原因，采取相应的处理措施，对提高水泵运行安全具有现实意义。
1 叶片断裂事故概况
某排涝站潜水混流泵，设计参数是，电机功率P=220kW，流量Q-4219m3/h，扬程日=13.7m，转速n=740r/min。运行16213h后，水泵机组出现异常振动，经查明，叶片断裂两片，均位于叶型边缘，裂纹长度分別为25cm和40cm。
该排涝站属间隔式运行，停机时间多于运行时间。由于停机期间未及时保养维护，故叶轮及叶片腐蚀严重。
2 水泵叶片断裂机理
（1）机械性能分析。该泵叶片由QT-600球墨铸铁铸造制成，高温正火处理，其机械性能如表1所示。
表1 叶片的机械性能
由表1看出，叶片机械性能基本合格，但塑性和韧性稍偏低。
（2）断口分析。断片用丙酮彻底去除残余污垢及腐蚀物，并用无水乙醇清洗吹干，取样显微观察，其金相组织为珠光体，断口处显微形貌特征。
（3）疲劳断裂。疲劳断裂是由于叶片在水力和泥砂冲击应力反复作用下发生了疲劳积累，在交变动载荷条件下，经过一定周期后所发生的断裂。
（4）应力腐蚀断裂。应力腐蚀断裂是受拉应力和腐蚀环境共同作用所导致的脆性断裂。引起叶片应力腐蚀断裂的因素只能是拉应力，这种拉应力包括外加应力和叶片的残余应力，而残余应力主要来源于铸造、热处理、加工及装配过程。
（5）综合分析结论。叶片断裂整个过程包括两个方面，一是水力冲击引起的疲劳断裂；二是磨损及腐蚀引起的应力腐蚀断裂。从断口的形态图上可以看出，叶片断裂首先始于疲劳开裂，在经历长时间的运行之后发生水下冲击疲劳裂纹。
3 水泵叶片断裂的原因分析
（1）叶片材质及加工质量。叶片的断裂失效与材质密切相关，材料的抗拉强度、屈服强度、硬度及耐腐蚀性均与断裂有直接关系，同时，若金属中含有较多的非金属夹杂物，对叶片材料的应力腐蚀断裂比较敏感。另外，叶片铸造加工过程中有夹杂、孔洞等隐形缺陷存在时，这些显微疏松组织往往是疲劳断裂和应力腐蚀断裂的危险源，使叶片提前发生脆性断裂。
（2）过负荷。水泵超负荷运行，偏离设计工况点，使材料本身所要求的机械性能指标发生变化。水泵过负荷包括两种情况，一种是实际运行工况超过设计工况，使水力冲击应力加大；另一种是污水中含有粗大的杂质和硬物，使叶片受到激烈的冲击阻力和振动。当水泵长期过负荷运行时，外加载荷超过叶片材料危险截面所能承受的极限应力，将发生断裂失效。
（3）临界转速的影响。叶轮、叶片及泵轴组成的转子，由于受材质、加工及装配等方面的影响，不可能做到“绝对平衡”，其质心与轴心之间总存在一偏心距，因而产生周期性的干扰力和力矩。当这种不平衡力和力矩的频率接近转子的固有振动频率时，转子发生强烈振动，此时的转速即为临界转速，其值为，式中5为转子的刚性系数，m为转子的质量。当发生共振时，加剧了叶片与叶轮毂之间的磨损，严重时则使叶片扭断。
（4）污水浓度及pH值的影响。污水中含有大量的真菌、霉菌和水藻等微生物，这些微生物新陈代谢的产物，如黑色有难闻气味的硫化物和有机酸等造成恶劣的腐蚀环境，一方面改变介质中氧的浓度和pH值，同时由于水内细菌和真菌的腐化分解，水中可能有溶解的H2S。因H2S作用而产生的硫化铁加剧了腐蚀过程；另一方面微生物的排渍物在叶片表面沉积和附着，使叶片表面形成局部腐蚀微裂纹。因此，污水含杂质浓度越高，越易发生应力腐蚀断裂。另一个重要参数是pH值。污水的pH值代表介质中氢离子浓度的大小，氢离子是影响腐蚀的最主要因素之一。低的pH值使金属腐蚀产物的溶解度发生改变，金属表面保护膜的稳定性也发生改变，从而间接影响叶片的腐蚀速度，加速叶片的腐蚀而发生应力腐蚀断裂。
（5）磨损和腐蚀的影响。抽送介质含有大量的泥砂颗粒，这些具有一定冲击动能的砂粒就像无数颗小弹头，以不同角度冲击泵壳及叶片表面，在砂粒磨损的作用下，叶片表面受到微切削，使其过早失去强度。同时。由于砂粒的不对称磨损，造成叶轮转子质量不平衡，使泵机组振动加剧，污水与叶片表面相对运动所引起的腐蚀有两种形式，一种是湍流腐蚀，这种湍流加大了腐蚀剂的流量，而且附加了一个流动介质对叶片表面的切应力，使腐蚀产物一旦形成就剥离并被冲走。如果介质中有气泡或悬浮固体颗粒，会加剧这种磨损和腐蚀。另一种形式是空泡腐蚀，即流体介质与叶轮作高速相对运动，在叶片表面局部区域产生涡流，并伴随有气泡的迅速生成与破灭，产生冲击波而不断破坏表面膜。磨损和腐蚀的联合作用使叶片过流表面出现鱼鳞状小凹坑和短程沟槽，并有蜂窝状麻点产生，逐渐形成微裂纹，严重时使叶片出口边磨损折断。
4 水泵叶片断裂处理措施
（1）断裂设计与校核。应用断裂力学方法进行设计，以断裂力学指标KlC（实际断裂韧性指标）和KlSCC（临界强度因子）作为叶片断裂校核的标准。为避免发生应力腐蚀断裂，要求叶片工作时KlC
（4）运行条件的控制。严格控制水泵的运行条件是防止断裂事故的有效措施。水泵实际运行工况点尽量控制在高效区范围，避免超负荷运转和振动。
（5）精心维护与维修。加强水泵维护与维修管理，严格执行泵站技术规范和管理规程，定期对水泵进行维护与保养，提高叶片使用寿命。维修期间，要对叶片腐蚀和磨损严重部位进行裂纹探伤，及早发现叶片的裂纹与缺陷。对已经发生磨蚀和有微裂纹的叶片，及早进行修复，防止磨蚀和微裂纹快速扩大。目前采用的表面处理方法有以下3种。①非金属涂层法。将环氧树脂、聚氨脂、陶瓷、玻璃或复合尼龙等非金属材料，经过一定的配方和工艺处理，将其喷涂在叶片被磨蚀表面进行修复。②合金粉末喷焊法。喷焊防护是随着低熔点粉末材料的研制成功而在喷涂和堆焊基础上发展起来的一种金属表面保护技术。③补焊法。补焊是用不锈钢焊条补焊磨蚀部分，经打磨抛光后使用，寿命一般可提高3～5倍。
5 结束语
目前，不少排涝水泵都存在着叶片断裂问题，一直都未能得到有效根治，在一定程度上增加了水泵檢修频次及设备维修费用和影响了水泵正常运行和机泵的使用安全。但笔者相信，随着对水叶片断裂问题研究的不断深入，新工艺和新技术的产生，水泵叶片的断裂问题将能得到有效解决。
参考文献
[1] 张艳；张霁菁；王印培.某海水泵叶片断裂失效分析[J].金属热处理，2007年第S1期
[2] 李行.循环水泵叶片断裂故障实例分析[J].科技资讯，2007年第09期