液環壓縮機葉輪失效分析

班洪勝，劉新，劉光新

(河北滄州大化股份有限公司聚海分公司，河北 滄州 061000)

0 引言

離心式壓縮機應用廣泛，在化工、制冷、航空等領域都有很重要的應用。離心式壓縮機葉輪疲勞斷裂會造成很嚴重的事故，近年來受壓縮機故障導致工廠停車的事故時有發生，嚴重的甚至會危害人民的生命安全。葉輪斷裂原因一方面是制造葉輪的材料有缺陷，另一方面是加工制造過程中會造成其結構疲勞強度的降低，壓縮機內部流體是非定常運動的，進而產生的氣體動力載荷也是非定長的，這樣產生的交變載荷長期持續的作用于壓縮機葉輪會造成壓縮機葉輪發生斷裂[1]。截至目前，大多數文獻只是對葉輪的材料進行分析改進或對葉輪進行建模從而對其進行固有頻率的分析。而忽略了對葉輪進行微觀的形貌分析，這就造成了很難發現葉輪斷面的缺陷等問題。因此，在故障發生后要及時關注并分析葉輪的微觀形貌，并進行分析以此來對葉輪故障有更深刻的認識，為探索葉輪缺陷的案例及預防措施提供詳細的資料數據和解決方案。文章以在工廠中發生的事故實例為分析對象，對液環壓縮機葉輪失效進行實驗和分析，從事故的發生、處理、分析和解決等方面詳盡介紹了液環壓縮機葉輪疲勞斷裂，并總結出相應的應對措施。

1 液環壓縮機的主要結構及工作原理

1.1 液環壓縮機的主要結構

為了對壓縮機有更深刻的了解和分析，首先介紹壓縮機的結構原理。液環壓縮機是容積式壓縮機，它是為正向位移型設備，其需要原動機的帶動，一般使用電動機。

以下為單級式壓縮機的主要部件：(1)外殼，內部盤邊相對于軸的旋向具有雙偏心關系；(2)葉輪，靠軸承的支撐和軸的帶動；(3)錐形結構(錐形結構和葉輪見圖1)；(4)軸承箱，有支撐腳便于設備的支撐和裝配。

圖1 錐形結構與葉輪

1.2 工作原理

葉輪的旋轉驅動工作液，工作液充滿部分殼體并形成一個橢圓型的旋轉液環，稱之為液環。通過離心的作用，工作液與機殼內部的偏心表面相貼合，并在每半周的旋轉中使工作液朝向遠離旋轉中心的方向。由于葉輪上兩個連續的葉片的限制作用，液環的工作方式類似于液體活塞，氣體在第一個四分之一旋轉周期進入壓縮機，并在第二個四分之一周期中被壓縮，葉輪的旋轉形成兩個同時且對稱的吸入/壓縮循環。錐形結構是進行氣體分配的主要結構，其上有兩個吸氣和兩個排氣孔并且形狀不同，一對吸或排氣口的其中一個相連于吸氣法蘭另一個相連與吸氣壓力蓋上的排氣法蘭[2]。另有一個軸向的、在端蓋上的法蘭來提供密封液。

因為內部偏心率相對于葉輪的軸向旋轉是對稱的，液體和葉輪產生的壓縮氣體帶動產生相對于徑向的壓力并傳遞給軸，此壓力在一般的情況下為零，通過180度的旋轉錐形結構能夠使進/出法蘭的位置互換。如圖2是液環壓縮機主要工作過程。

圖2 壓縮機工作過程

1.3 工作液

工作液是產生液環的載體，液環的作用如下：(1)對氣體進行壓縮；(2)對無機械結構接觸的氣體進行密封；(3)帶走壓縮過程中產生的熱量；采用不燃性密封液可確保壓縮機的安全；為了帶走壓縮產生的熱量和補償隨壓縮氣體流失的液體，密封液要持續的更新。密封液通過壓縮機的軸向進氣法蘭流向排氣法蘭，密封液通過氣液分離器與氣體分開，可以采用冷卻系統以保持重新進入閉環壓縮機的密封液的溫度，密封液也可通過分離器的底部排除(開環系統)。

一般的做法是將部分由氣液分離器/冷卻器中來的液體重復循環，另一部分用新的液體。液體通過壓縮機的錐形結構吸氣室進入，其壓力不等于吸氣壓力，所以循環可通過分離器排/進氣的壓力差得以延續。壓縮機的工作液要以適當的流動速率流動。循環工作液的流動速率體現壓縮機和閉環布局的特性，其增減改變吸/排氣壓力，設定流動率很重要，流動率的獲得需要遵照排氣壓力的大小。正確的流動率在設計的時候就已經選定，最佳的基本工作狀態為工作液進入壓縮機時有適當的溫度，有指定的流動速率，這需要一些輔助的設備，如加熱器、管道、閥門等。當在閉環系統中時，有時分離器與密封液進入法蘭的壓力差超過允許的循環液速率，所以必須安裝調整閥以控制流量的合理。圖3為液環壓縮機系統圖。

圖3 液環壓縮機系統圖

2 壓縮機葉片斷裂及處理

液環壓縮機與其他壓縮機不同，它是一種變容性壓縮機，它將離心力通過葉輪上的葉片傳遞給液體，液體則像活塞一樣工作，從而達到傳送氣體的目的[3]。由此可見壓縮機中液環的重要性，葉輪故障對于壓縮機來說是非常嚴重的一種故障，常見的故障有壓縮機溫度過高，燒機封、壓縮機機封泄漏、壓縮機壓力達不到要求、排氣量不足、葉輪故障等。葉輪故障一直是眾多學者探究的故障之一，它們從材料、理論方面進行多種方法的分析，給出許多有見解[4]。但對于葉輪故障的實例分析還較少，工廠中運行的液環壓縮機實際葉輪故障分析有利于更好的印證理論分析，也能從實際角度探討解決方案，它對解決葉輪失效故障有著實際意義。通過本次對事故過程完整的解析，提供了葉輪斷裂的微觀形貌圖，得出了故障原因及預防性措施。

2.1 事件經過

2021年12月7日20點54分，中控操作員發現液環壓縮機電流由16.8 A突然升至18.3 A并且一段時間后沒有回降，立即告知各專業現場排查。機械、電氣、儀表和工藝人員在現場排查過程中發現21點16分電流突然升至25.4 A，同時設備振值達到滿量程10 mm/s,且現場噪音較大，機械工程師發出停機指令中控操作員立即點停壓縮機。圖4為壓縮機電流運行趨勢實時圖，橫坐標為時間，縱坐標為電流值，此圖為截取1.5 h內的電流變化趨勢。

由壓縮機電流運行趨勢實時圖可知：電流一直很平穩發生的波動很小并且在一定范圍內波動，但突然在某一時刻電流突然變大，又平穩運行一段時間后電流又一次驟增，并且這次電流的增加量是第一次電流的增加量的若干倍。結合其他現象可判斷壓縮機出現較大的故障，所以及時停機檢查。

圖4 壓縮機電流運行趨勢

2.2 事件處理

置換合格后，現場解體檢查壓縮機：發現葉輪一個葉片有2/3左右發生斷裂脫落，造成其余葉片外沿卷曲變形、錐體外表輕微磨損(圖5為脫落的葉片)。葉輪材質為316 L，累計使用時間為35個月。壓縮機葉輪失效使用前7個月曾進行過PT檢測，未見異常。此次事故并未造成人員傷亡，但對化工廠內的效益和生產計劃造成了嚴重影響。為了進一步分析葉輪損壞原因對葉片損壞原因進行分析，對脫落的葉片進行理化檢驗分析。

圖5 脫落葉輪葉片

3 葉片斷裂分析

3.1 宏觀檢驗

圖6為送檢葉輪宏觀形貌[5]，由圖可見葉輪整體斷為三段，根據大小可分為A、B、C三個部分。葉輪中心B區域整體較為平整，有明顯擠壓變形的痕跡，表面有大量劃傷，兩側斷口已磨損殆盡；A區域表面有少量劃傷，斷口擦傷較嚴重；C區域斷面整體保存較好，未見有明顯的塑性變形，未見有銹蝕現象。根據以上觀察現象，選擇A與C區域作為主要研究對象。

圖6 送檢葉輪

圖7為C區域宏觀形貌，由圖可見，斷面未見明顯的塑性變形，也未見明顯銹蝕，斷裂處有明顯的疲勞貝紋線，說明該斷口為疲勞斷口，貝紋線圓弧中心部位有一處異狀突起，為裂源中心，根據不同形貌特征，可將斷面大致分為以下部分：

裂源區：裂源處位于斷面中部，距表面約5 mm處，該處有深色突起物，可見明顯的疲勞貝紋線及放射線，斷口紋路指向裂紋源中心部位。

擴展區：該區域整體較為平坦，可見明顯放射線與疲勞貝紋線特征，近裂源部分放射線較為細密，遠離處分較為粗大，表明裂紋擴展速度先慢后快。

圖7 C區域宏觀形貌

圖8為A區域宏觀形貌，從圖中可見，斷口較為平整，表面邊緣區域有大量磕碰及擦傷痕跡，未見有明顯的貝紋線放射線等。根據其形貌，結合其宏觀，推測該區域可能為斷裂后期形成。

圖8 A區域宏觀形貌

3.2 微觀斷口分析

將斷口試樣清洗后，置于掃描電子顯微鏡下觀察。根據斷口形貌特征的不同，分別對如下各個區域進行SEM 形貌觀察分析，所得結果如下：

(1) C裂源區：低倍下可見心部區域長2.890 mm，寬2.766 mm 的孔洞。BEC形貌未見有明顯其他元素，高倍下可見表面呈丘狀。根據其位置推測可能為疏松孔洞缺陷(圖9-圖11)；

(2) C擴展區：低倍可見大量放射線與少量的疲勞貝紋線。高倍下可見疲勞輝紋(圖11)；

(3) A區域：由圖可見，A表面形貌平坦，高倍下可見均為劃傷擦傷形貌，未見明顯異物等(圖12～圖13)。

圖8 SEM形貌

圖9 SEM形貌

圖10 SEM形貌

圖11 SEM形貌

圖12 SEM形貌

圖13 SEM形貌

3.3 金相檢驗

圖14從斷面試樣，并按GB/T 13298—2015標準進行制樣，隨后在光學顯微鏡下觀察，結果如下：其顯微組織未見明顯異常，為奧氏體+鐵素體。

圖14 斷面試樣顯微組織

3.4 分析結果

(1)宏觀斷口及微觀斷口分析表明：C斷口裂紋源存在疏松缺陷，位于斷口心部，為疲勞斷裂，C斷口優先于A斷口斷裂；

(2)葉片顯微組織為奧氏體+鐵素體。

經以上分析結果可以認定液環壓縮機葉片長期使用存在疲勞斷裂的可能，葉輪使用周期不應超過使用年限。定期更換葉輪。

4 預防措施

葉輪葉片斷裂是一種非常危險的故障類型，為了預防這種故障的發生從鑄造和工藝過程中使用方面提出若干建議。可降低這種故障的發生頻率或延長葉輪使用壽命。技術方案分兩部分內容：優化葉輪鑄造工藝和降低壓縮機工作液循環量。

4.1 優化鑄造工藝

壓縮機葉輪采用鑄造工藝，容易出現組織疏松、縮孔等鑄造缺陷，優化鑄造工藝主要是減少鑄造缺陷，從以下幾個方面可對鑄造缺陷進行改進：

(1)葉輪澆鑄工藝為立澆。為解決底部不能放置補縮冒口，采取在芯子底部使用厚度為30～50 mm的鉻鐵礦砂(冷鐵)，使鋼水快速均勻冷卻，為葉片根部收縮創造條件；

(2)底部凹面放置外冷鐵，在鑄件冷卻過程達到快速冷卻，解決葉片根部出現微縮松和微縮裂；

(3)采用底部環形澆道及使用陶瓷直澆道，自下而上的澆鑄，解決鋼水在澆鑄過程中的亂向，使鑄件平穩有效的收縮；

(4)加大上箱(葉輪有軸頭一端)冒口放置，冒口比例應不低于葉輪重量的100%；

(5)為使冒口達到自然收縮的效果，提高冒口的高度，達到一定自然壓力和收縮效果，保證葉輪整體無缺陷；

(6)對新做葉輪結構進行改進，提高葉輪剛性。

①葉輪驅動端端板與葉片連接處(錐孔小頭)R8弧改為R12。

②葉輪驅動端端板與葉片連接處(錐孔小頭)增加葉片厚度(如圖15所示)。

圖15 葉片改造圖

4.2 改進工藝流程

從工藝方面進行調整，減少流體對葉片的應力。

降低壓縮機工作循環液改變光氣壓縮機運行工況，消除設備噪音較大，降低葉輪疲勞破壞應力。降低壓縮機工作循環液分為2個階段：

第一階段，逐步將流量降到11 m3/h(目前聯鎖值10 m3/h)，此階段流量聯鎖不切除，運行30天，觀察設備運行情況、各參數指標，根據結果確定是否繼續第二階段調整；第二階段，需切除工作液流量聯鎖，逐步將流量降到10 m3/h。降低壓縮機工作循環液調整前確認，壓縮機運行處于良好狀態，各項工藝指標正常，電氣、儀表顯示、控制準確。

(1)第一階段調整

①第一周，循環流量由14.6 m3/h調整至13 m3/h，穩定后觀察運行，按“液環壓縮機巡檢記錄表”測量、記錄相關數據，進行調整前后對比分析；

②第二周，循環流量由13 m3/h調整至12 m3/h，穩定后觀察運行，按“液環壓縮機巡檢記錄表”測量、記錄相關數據，進行調整前后對比分析；

③第三周，循環流量由12 m3/h調整至11 m3/h，穩定后觀察運行，按“液環壓縮機巡檢記錄表”測量、記錄相關數據，進行調整前后對比分析；

④組織專業會，總結、分析第一階段調試數據、生產指標、設備運行狀況、第一階段調整效果，形成書面意見。討論、確定進行第二階段調整的必要性、注意事項等內容。

(2)第二階段調整

①辦理相關票證，摘除循環流量流量聯鎖；

②前兩周，循環流量由11 m3/h調整至10.5 m3/h，穩定后觀察運行，按“液環壓縮機巡檢記錄表”測量、記錄相關數據，進行調整前后對比分析，并根據壓縮機運行狀況決定是否繼續調整，調整過程出現異常情況，按風險應急預案執行；

③后兩周循環流量由10.5 m3/h調整至10 m3/h，穩定后觀察運行，按“液環壓縮機巡檢記錄表”測量、記錄相關數據，進行調整前后對比分析，調整過程出現異常情況，按風險應急預案執行；

④維持工作液循環量10 m3/h，液環壓縮機運行一個月，記錄工作液流量、壓縮機排氣量、分離罐溫度、壓縮機排氣溫度、壓縮機振值、壓縮機機體溫度等參數；

⑤調整運行一個月后，組織專題會總結、討論，通過工作液循環量的調整，分析工作液循環流量對壓縮機運行的影響(現狀、效果)，確定循環流量聯鎖值、操作規程的修訂。

5 結語

對廠內實際運行的液環壓縮機事故進行全過程的分析，故障原因是葉輪葉片發生斷裂。通過對斷裂葉片的微觀分析，發現斷口裂紋源存在疏松缺陷，長期使用葉輪造成疲勞斷裂。根據此種情況分別從鑄造工藝和工藝流程兩方面提出了若干有實際意義的建議。尤其在工藝流程方面，根據廠內巡檢記錄的工藝流程提出針對性建議，經過反復試驗和觀察發現：調整工藝流程后，葉輪葉片使用年限增加并且很少出現葉輪斷裂的情況。