海水供应泵(图二)将海水从海岸的BETVICTOR体育官网海水分配环输送到水库。这些超级水泵为5个海水注BETVICTOR体育官网入泵供气。泵以图1BETVICTOR体育官网中所示的以下参数并行运行。
吸气线将流量分配到两个一级叶轮，一级叶轮再排放到两个设计相反的二级叶轮(图3)。
失败史
2012年9月，两机组出现了类似的二级叶轮叶片前缘断裂、叶轮磨损环脱落现象。泵供应商和第三方材料实验室进行了一项研究。他们确定根本原因是叶片第二级前缘的峰值应力，达到316不锈钢(SS)的材料强度。叶轮材料建议升级为超级双相不锈钢(美国测试与材料学会[ASTM] A 890 Gr. 5A Type CE3 MN)。此外，叶轮收缩配合高(0.003英寸至0.005英寸)，导致进口叶片位置底部的残余应力高。
2018年12月，a泵机组出现了吸入压力波动，并在高径向振动下跳闸。泵b机组在低吸入压力下发生了高喘振和跳闸。压力激增持续了30分钟，压力变化范围为每平方英寸40到516磅(psig)。泵组b重新启动成功。a机组于2019年2月用备用转子检修后，b机组成功投入使用，随后关闭。
直接的建议
为了延长第二级叶轮的寿命并消除进口叶片开裂的来源，同意采取以下措施:
- 叶轮材料将从奥氏体不锈钢(ASTM A 351 gr. CF3M)升级为超级双相不锈钢(ASTM A 890 gr. 5A CE3MN)。
- 叶轮与轴之间的过盈配合从0.003 ~ 0.005英寸的范围降低到0.001 ~ 0.003英寸。
- 去除磨损环，采用直接激光沉积(DLD)工艺在叶轮磨损表面覆盖碳化钨。
发现
在对支撑泵车间a单元和b单元的转子进行检查时，发现了四种故障模式，分别进行了处理:
- 第二阶段叶轮结构故障
- 叶轮磨损环松动
- 第一级叶轮空化
- 叶轮收缩配合过度
两台故障泵的第二级叶轮均BETVICTOR体育官网为316不锈钢原材料。
b机组第二期叶轮故障
b单元第二级叶轮左侧(推力侧)叶片前缘在最后一次起下钻前因径向振动过大而断裂。叶片对称受损。压裂液使断口表面变得光滑。如图4和图5所示，叶片出现裂纹，压力脉动导致叶片损伤进一步扩大。
a机组第二期叶轮故障
a级叶轮右侧出现大片叶片脱落，另一片叶片出现裂纹。裂缝是从轮毂一侧开始的。此外，侧叶轮背磨损环磨损严重(图6)。
a机组和b机组的故障与2012年9月和12月的故障相似，都是由于高压脉动导致二级叶轮高周疲劳。从2017年8月至2018年12月，机组a和机组b的压力指示器(PI)数据显示，泵的额定点为36500加仑/分钟(gpm)。BETVICTOR体育官网从下面的过程数据中可以看出，泵的运行速度有几次超过了46,000 gpm，持续BETVICTOR体育官网了好几天。b单元的流量比a单元高(图8)。
这些高能量泵不仅能以额定流量的127%运行(BETVICTOR体育官网美国石油学会(API)的首选工作范围是最佳效率点(BEP)的70%至110%)，而且其功耗超过28000马力(hp)。湍流和高功率容易使叶轮承受超出其疲劳能力的压力。从2012年的故障可以得知，这些泵的叶轮有一个边际材料极限。BETVICTOR体育官网
当机组b以每分钟2082转(rpm)和流量约31,000 gpm运行时，通过泵的功率将在18,000至19,000 hp之间，而在2230转和流量约46,000 gpm时，通过泵的功率将为~28,000 hp。BETVICTOR体育官网这表明每个叶轮的能量很高，约为7000马力。因此，叶轮将受到更高的应力，这是一个促成因素，将推动叶轮超出其材料能力。机组b比机组a在高流量下运行时间更长。根据泵的数据表和性能曲线，泵应设计为三点(图9)。泵二级原始材料316 SS无法处理压力脉动引起的这种应力。
建议在不同转速下，通过调整泵控制配置，将泵的运行限制在API 610额定流量的首选工作范围(70%至110%)，以避免使叶轮承受高应力。
叶轮磨损环松动:Unit-B
由于收缩配合不足，左、右二级叶轮均出现b型叶轮磨损环。第二级右磨损环被分裂成碎片(图10和图11)，并冲击叶片前缘。
b机组二级叶轮左旋磨损环因收缩配合不足出现脱落，局部断裂。有些地方松动了(图12)。2012年增加的轴向紧定螺钉和粘头焊缝被发现断裂。
叶轮磨损环松动:Unit-A
a机组第二级左叶轮磨损环脱落，断裂成几片。这些碎片穿过叶轮，对叶片前缘造成冲击损伤(图13)。
2012年，这两个机组都出现了眼环脱落的问题，原因是眼环又大又重、收缩配合不足和吸入压力激增。2012年，两台泵都经历了高BETVICTOR体育官网吸入压力和浪涌。
2013年，建议采用DLD工艺将其替换为整体磨损环;所用的材料是碳化钨。此外，失效环不会导致叶片损坏，因为每个失效环都是相互隔离的。
b机组的过程数据趋势为吸力高，从40 psig波动到300 psig，在故障前出现巨大的波动，如图14所示。
一级叶轮空化损伤:b单元
b机组左、右一级叶轮各叶片空化损伤严重(图15)。由于作业时数增加，空化损害比2012年更严重。
在2012年至2013年的最后一次大修后，该泵成功运行了大约5 - 6年，叶片厚度损失小于30% (31-SAMSS-04要求叶片厚度小于75%，40000小时)。
现有叶片空蚀后的厚度在验收标准内。第一级叶轮采用316 SS原装设计，对汽蚀损伤进行了焊接和修补。为了满足生产要求，它们被快速安装在b机组转子上，并成功运行。
总而言之，可用净正吸水头(NPSHa)超过所需净吸水头(NPSHr)。
一级叶轮的空泡损伤:a单元
如图16所示，a单元第一期右侧和左侧的空蚀损伤较2012年有所增加，但仍可接受。它被焊接起来，并被打扮好了。
叶轮孔过盈配合
2012年，一家泵供应商对二级叶轮进行了应力分析，得出的结论是，前缘开裂的部分原因是由于孔与轴的过盈配合过高(0.003英寸至0.005英寸)(图17和图18)。建议将第二级叶轮孔到轴过盈配合的范围从0.003英寸到0.005英寸到0.001英寸到0.003英寸。过盈配合的减少，加上强度更高的超双叶轮材料，增大了叶轮叶片实际应力与叶轮屈服应力之间的裕度。
来自OEM的新超级双叶轮提供了凹孔，以减少应力。
失败的根本原因
以下是故障模式的主要根本原因:
- 第二级叶轮失效的根本原因是由于高压脉动使叶轮承受的应力超出了原始材料(不锈钢316)的抗拉强度。
- 二级叶轮磨损环脱落的根本原因是环大而重、收缩配合不足和吸气压力波动。
- 一级叶轮空化的根本原因是不设计运行、短时间内流量大、吸气压力低。验证了平均流速下的汽蚀余量，发现足够。根据内部泵标准，损坏是可以接受的，符合40,000小时的标准。损伤可以通过焊接和修整来修复。
建议
- 二级叶轮均采用ASTM A890级5A型CE3 MN超双工升级，以提高材料强度。
- 如图1所示，在API 6BETVICTOR体育官网10的额定流量和转速的70%到110%的首选范围内运行泵，以消除每级的高功率和对叶轮材料的过度应力。控制系统应配置为在不同转速下运行70%至120%的BEP。
- 将第一级和第二级叶轮的整体磨损环升级为DLD碳化钨，以消除磨损环的出现和相应的损坏。现有的配备可拆卸磨损环的叶轮应用6个螺钉和6个焊缝(2英寸长)固定。
- 在以后的维修中，不要混配第二级叶轮，因为第二级是用新材料升级的，厚度更大，第一级只是厚度更大。