某煙氣輪機(jī)葉片斷裂原因分析

， ， ， ， ， ， 杜娟，

(1.北京航空航天大學(xué) 材料學(xué)院，北京 100191；2.中國(guó)石油化工股份有限公司 天津分公司，天津 300270)

煙氣輪機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)煙機(jī))是煉油廠催化裂化裝置能量回收機(jī)組的重要設(shè)備之一，也是故障率較高的設(shè)備之一[1-2]。2015-02-06，某煉油廠某煙機(jī)軸位移突然變化并超過(guò)聯(lián)鎖值，機(jī)組聯(lián)鎖停機(jī)。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，煙機(jī)內(nèi)有少部分靜葉片破碎，煙機(jī)轉(zhuǎn)子上73片動(dòng)葉片全部自葉片根部發(fā)生斷裂，且動(dòng)葉片的榫槽處有異常磨損現(xiàn)象，最大磨損處深11 mm，磨痕清晰。煙機(jī)與軸流風(fēng)機(jī)聯(lián)軸器外罩撐破，聯(lián)軸器法蘭孔變形，聯(lián)軸器膜片撕裂，螺栓斷裂。在以往煙機(jī)失效故障中，因催化劑顆粒沖刷造成動(dòng)葉片磨損的案例較多[3-4]，但其磨損深度均未超過(guò)5 mm。本次煙機(jī)故障中，動(dòng)葉片磨損深度達(dá)11 mm，遠(yuǎn)大于以往報(bào)道中的數(shù)據(jù)，且磨痕清晰、規(guī)則。初步篩查發(fā)現(xiàn)，動(dòng)葉片的表面結(jié)垢現(xiàn)象并不明顯，且三旋出口細(xì)粉等分析數(shù)據(jù)均證實(shí)本次故障動(dòng)葉片磨損不是由于催化劑顆粒造成的。為此，筆者采用多種技術(shù)手段，對(duì)此次煙機(jī)故障原因開(kāi)展了深入細(xì)致的分析，明確了煙機(jī)葉片的斷裂原因，可為同類(lèi)煙機(jī)葉片的失效分析提供參考依據(jù)[5-12]。

1 動(dòng)葉片失效原因分析

動(dòng)葉片的根部斷口形貌見(jiàn)圖1。

圖1 動(dòng)葉片根部斷口形貌

該煙機(jī)動(dòng)葉片材質(zhì)為GH864合金，測(cè)試得到的GH864合金化學(xué)成分見(jiàn)表1。從表1看出，動(dòng)葉片材質(zhì)各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均滿足HG/T 3650—1999《煙氣輪機(jī)技術(shù)條件》[13]中規(guī)定的GH864合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)范圍。

表1 動(dòng)葉片材質(zhì)GH864合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

對(duì)動(dòng)葉片根部附近金相組織進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)動(dòng)葉片晶粒尺度大小均勻，符合HG/T 3650—1999中的規(guī)定，未發(fā)現(xiàn)異常。

動(dòng)葉片斷口微觀組織見(jiàn)圖2～圖3。

圖2 動(dòng)葉片斷口微觀組織存在沿晶斷裂(150×)

由圖2～圖3可以看出，斷口組織形貌有明顯的沿晶斷裂特征(圖2)，部分存在韌窩特征(圖3)，未發(fā)現(xiàn)有疲勞特征，為一次性斷裂，可能是因動(dòng)葉片承受過(guò)載所致。

圖3 動(dòng)葉片斷口微觀組織存在韌窩(700×)

從本次煙機(jī)故障的損壞情況檢查發(fā)現(xiàn)，動(dòng)葉片榫槽部位有明顯的磨損(圖1)，磨損部位的最大磨損量大約為11 mm。為了確定與動(dòng)葉片摩擦的摩擦件，重點(diǎn)分析了圖1所示磨損部位的化學(xué)成分。為了進(jìn)行對(duì)比，分別選取葉片根部斷裂處的典型非磨損部位和磨損部位進(jìn)行化學(xué)成分能譜檢測(cè)分析，得到的檢測(cè)分析結(jié)果分別見(jiàn)圖4和圖5。從圖4和圖5的能譜檢測(cè)分析結(jié)果可以看出，葉片根部非磨損部位的w(Ni)/w(Fe)=54.69/0.5=109，該值處于正常范圍；葉片根部磨損部位的w(Ni)/w(Fe)=12.06/1.92=6.3，磨損部位中Fe元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)異常增高。通過(guò)分析排除了催化劑帶Fe引起異常的可能，初步斷定Fe元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)異常應(yīng)為摩擦件摩擦殘留所致。

圖4 動(dòng)葉片根部非磨損部位能譜檢測(cè)分析結(jié)果

圖5 動(dòng)葉片根部磨損部位能譜檢測(cè)分析結(jié)果

對(duì)比煙機(jī)包括的零件材質(zhì)，富含F(xiàn)e元素而且硬度可與動(dòng)葉片材質(zhì)硬度相比的只有靜葉片材質(zhì)K213合金和螺栓材質(zhì)GH2132合金。為進(jìn)一步確認(rèn)何種材質(zhì)與動(dòng)葉片發(fā)生摩擦導(dǎo)致其失效，對(duì)動(dòng)葉片磨損處進(jìn)行X射線光電子能譜分析(XPS)測(cè)試，對(duì)動(dòng)葉片、靜葉片以及螺栓進(jìn)行室溫和高溫的硬度測(cè)試。

XPS技術(shù)可以精確分析動(dòng)葉片磨損部位表面的化學(xué)成分組成，筆者重點(diǎn)測(cè)試了W、V、Ti、Si、Ni、Mo、Mn、Mg、Cu、Cr、Co、B、Al、O等元素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)動(dòng)葉片磨損表面殘留物質(zhì)中含有W元素(圖6)。在富含F(xiàn)e元素的動(dòng)葉片、靜葉片和螺栓材質(zhì)中，只有靜葉片材質(zhì)中含有W元素。

圖6 動(dòng)葉片中W元素XPS精細(xì)分析譜

動(dòng)葉片、靜葉片及螺栓的室溫及高溫硬度測(cè)試平均值見(jiàn)圖7。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是室溫還是高溫下，都有靜葉片硬度值>動(dòng)葉片硬度值>螺栓硬度值。由此推斷，與動(dòng)葉片根部發(fā)生磨損的異常件是靜葉片斷裂部件，而非螺栓。

圖7 動(dòng)葉片、靜葉片及螺栓室溫及高溫硬度值

2 靜葉片失效原因分析

煙機(jī)靜葉片材質(zhì)為K213合金，采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)[14]、滴定法[15]、重量法[16]、高頻燃燒紅外吸收法[17]及光度法對(duì)靜葉片材質(zhì)化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)試分析，得到的結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出，靜葉片材質(zhì)各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在HG/T 3650—1999中規(guī)定的K213合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，并無(wú)異常。

表2 靜葉片材質(zhì)K213合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

對(duì)靜葉片進(jìn)行金相組織分析，發(fā)現(xiàn)靜葉片中含有大量的縮松和孔洞等鑄造缺陷，晶界上分布著連續(xù)的黑色析出相和白色析出相，且晶界處存在微裂紋，見(jiàn)圖8。

圖8 靜葉片金相組織中缺陷

為了進(jìn)一步確定靜葉片的首斷件，在2017-08煙機(jī)停機(jī)檢維修過(guò)程中，將所有的動(dòng)葉片和靜葉片殘留物一并打撈出來(lái)。經(jīng)過(guò)仔細(xì)辨認(rèn)分析，最終選取了若干個(gè)疑似非正常沖擊斷裂的靜葉片斷裂件。對(duì)靜葉片斷裂件進(jìn)行掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)有1個(gè)樣品與其他斷裂件呈現(xiàn)不同特征，在該樣品靠近斷口的邊緣磨損表面觀察到了一層厚厚的黑色條帶，最厚處可達(dá)50 μm，見(jiàn)圖9～圖10。

圖9 靜葉片斷裂件斷口磨損邊緣附近掃描電鏡照片一

圖10 靜葉片斷裂件斷口磨損邊緣附近掃描電鏡照片二

采用能譜分析技術(shù)對(duì)這些煙機(jī)靜葉片斷裂件斷口表面的黑色條帶進(jìn)行進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)黑色條帶處Cr、Al、Ti元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高，同時(shí)富含O和S雜質(zhì)元素(表3)，由此可以推斷在該靜葉片的表面生成了Cr、Al、Ti的金屬氧化膜，同時(shí)還存在著硫化物。

表3 靜葉片斷裂件斷口表面黑色條帶能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

值得注意的是，在斷口附近的靜葉片內(nèi)部也發(fā)現(xiàn)了金屬氧化膜，同時(shí)觀察到沿著金屬氧化膜開(kāi)裂的裂紋。由此推斷，金屬氧化膜不是在靜葉片斷裂之后瞬間形成，可能是在靜葉片鑄造過(guò)程中或者長(zhǎng)時(shí)間服役過(guò)程中形成的。靜葉片是采用鑄造工藝制備，內(nèi)部難免存在縮孔、縮松、氣孔等鑄造缺陷，一旦O原子進(jìn)入，就容易在這些原始鑄造缺陷部位與Cr、Al、Ti等原子發(fā)生反應(yīng)，形成金屬氧化膜。當(dāng)金屬氧化膜達(dá)到一定厚度時(shí)因應(yīng)力集中形成裂紋，引起靜葉片強(qiáng)度降低。煙機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，在高溫?zé)峤蛔儜?yīng)力、粉塵沖刷及高溫氧化環(huán)境作用下，裂紋進(jìn)一步沿氧化膜發(fā)生擴(kuò)展，最終導(dǎo)致靜葉片斷裂。

對(duì)該靜葉片殘骸的磨損處進(jìn)行XPS測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)磨損處殘留物質(zhì)中含有Mo元素和Co元素，見(jiàn)圖11～圖12。

圖11 靜葉片殘骸磨損處Mo元素XPS分析譜

圖12 靜葉片殘骸磨損處Co元素XPS分析譜

對(duì)照靜葉片K213合金和動(dòng)葉片GH864合金化學(xué)成分，發(fā)現(xiàn)Mo和Co元素只存在于動(dòng)葉片化學(xué)成分中，進(jìn)一步證實(shí)了該靜葉片殘骸與動(dòng)葉片接觸并相互摩擦磨損的判斷。

3 結(jié)論

(1)煙機(jī)動(dòng)葉片的根部磨損不是由催化劑顆粒沖刷造成的，磨損動(dòng)葉片根部的異常件為靜葉片的斷裂件。

(2)靜葉片內(nèi)部存在金屬氧化膜缺陷，在高溫環(huán)境熱交變應(yīng)力、粉塵沖刷及高溫氧化作用下，裂紋沿氧化膜處擴(kuò)展，引起靜葉片強(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致在氧化膜處發(fā)生斷裂。

(3)靜葉片斷裂件與動(dòng)葉片榫齒部位發(fā)生了嚴(yán)重的磨損，導(dǎo)致動(dòng)葉片的承載面積減小，受載強(qiáng)度增大，最終因過(guò)載致使動(dòng)葉片發(fā)生斷裂，從而導(dǎo)致煙機(jī)失效。

(4)改善靜葉片鑄造工藝、消除鑄造缺陷，從而提高靜葉片產(chǎn)品質(zhì)量，是確保煙機(jī)長(zhǎng)期安全運(yùn)行的有效手段。