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1、250化工機(jī)械2013年煙氣輪機(jī)動(dòng)葉片斷裂失效分析陳志靜4(廣東石油化工學(xué)院)摘要運(yùn)用理化檢驗(yàn)對(duì)某煙氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片斷裂事故進(jìn)行失效分析。通過(guò)斷口宏、微觀形貌、金相組織和化學(xué)成分分析表明：葉片在鑄造時(shí)存在孔洞、裂紋等缺陷，材料組織中存在沿晶界分布的脆性相；煙機(jī)一直在較高溫度下工作，熱交變應(yīng)力對(duì)葉片影響較大，煙機(jī)內(nèi)各種固體顆粒對(duì)葉片有沖刷作用，最終導(dǎo)致葉片發(fā)生斷裂。關(guān)鍵詞煙氣輪機(jī)動(dòng)葉片鑄造缺陷失效分析中圖分類號(hào)TK263．3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼B文章編號(hào)0254-6094(2013)02-0250-03煙氣輪機(jī)(又稱煙氣透平)是以
2、煙氣為工質(zhì)，將工質(zhì)的熱能和壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的原動(dòng)機(jī)?。煙氣輪機(jī)在煉廠催化裂化裝置再生煙氣能量回收系統(tǒng)中已得到廣泛的應(yīng)用，是石油加工企業(yè)的關(guān)鍵節(jié)能設(shè)備之一，它的平穩(wěn)運(yùn)行直接關(guān)系到整個(gè)機(jī)組乃至整個(gè)裝置的安全穩(wěn)定長(zhǎng)周期運(yùn)行舊1。煙氣輪機(jī)葉片在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下工作，不僅要承受復(fù)雜的作用力和熱負(fù)荷，還要承受環(huán)境介質(zhì)的腐蝕與氧化，其工作條件十分惡劣，因而出現(xiàn)失效的概率較高。另外，葉片的使用壽命與葉片的材料、熱加工及熱處理工藝等密切相關(guān)㈧。某煉油廠煙氣輪機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生葉片斷裂，造成裝置停產(chǎn)，給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。筆者就該煙
3、氣輪機(jī)斷裂葉片的材料、宏觀斷口形貌、微觀斷口形貌以及金相組織進(jìn)行分析，以探尋葉片斷裂的原因，據(jù)此提出改進(jìn)措施。1煙機(jī)的基本情況煙機(jī)葉片斷裂事故發(fā)生后，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)共有6個(gè)葉片斷裂。如圖1所示，其中1’、2。、5。、6。為表面斷裂，均在邊緣部位；3。、4’葉片在平行于連接部位斷裂根據(jù)斷裂位置情況初步判斷1。、2。、5’、6。葉片為同一種類型斷裂，3。、4。葉片為同一種斷裂，故在進(jìn)行理化檢驗(yàn)時(shí)，只取兩種類型中某一個(gè)或兩個(gè)葉片進(jìn)行檢驗(yàn)分析。圖1葉片斷裂位置該煙機(jī)的介質(zhì)成分為煙氣(0：、CO、H：0、CO：、N：、SO：、催化
4、劑)；設(shè)計(jì)溫度——入口630—6700C，出口480～5200C；工作壓力——入口150～185kPa，出口7～9kPa。2葉片材料化學(xué)成分分析該煙機(jī)葉片材料為K213，取1。、3’斷裂葉片做化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。通過(guò)化學(xué)成分分析，碳含量略微偏高，其余元素基本符合。K213屬于高溫鐵基合金，為精密鑄造，其設(shè)計(jì)壽命為105h左右。高溫合金使用過(guò)程中承受溫度、應(yīng)力與環(huán)境的綜合作用，鐵基合金極易產(chǎn)生異常組織，且在晶界上容易析出碳化物，這些異常顯微組織會(huì)損害合金性能，降低材料強(qiáng)度或增大脆性，增加了材料的缺口敏感性。+陳志
5、靜，男，1984年1月生，講師。廣東省茂名市，525000。第40卷第2期化工機(jī)械251表1斷裂葉片化學(xué)成分％3葉片金相分析．取4‘、5。葉片進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)分析，如圖2、3所示?？梢钥闯鋈~片金項(xiàng)組織為奧氏體+1’+碳化物Ho。碳化物沿晶界分布，組織內(nèi)部分布不均勻，形成沿晶界分布的脆性相，這是高溫下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的特征。另外還可以看出裂紋起始于表面缺陷處，并沿晶界擴(kuò)展，葉片內(nèi)部存在鑄造缺陷孔洞和氧化裂紋，可顯著降低其力學(xué)性能，在運(yùn)行過(guò)程中成為斷裂源，是導(dǎo)致葉片沿晶界開裂的主要原因之一。圖244葉片顯微組織圖35。葉片微觀
6、組織4葉片斷口形貌及斷裂原因分析4．1斷口宏觀形貌取34、4。葉片樣品斷IZl，形貌如圖4a所示。斷裂位置與葉片根部平行，裂紋源由外向基材擴(kuò)展，可見(jiàn)擴(kuò)展平面和弧線；斷151表面粗糙，無(wú)宏觀塑性變形，呈黑色。圖4b是1’、2’、5’、6。葉片樣品斷口的宏觀形貌圖，可以看出斷口表面粗糙，無(wú)宏觀塑性變形，呈黑色。圖4葉片斷口宏觀形貌4．2斷口微觀形貌圖5為3。葉片樣品斷口的微觀形貌，可以看出3。葉片斷口表面覆蓋致密氧化物，為陳舊斷VI；在裂紋尖端和瞬斷區(qū)，表面覆蓋氧化產(chǎn)物較少，斷口表面以樹枝晶斷裂開裂為主，無(wú)疲勞跡象，伴隨
7、大面積韌窩、解理開裂和二次裂紋，符合高溫下材料脆性斷裂之典型特征"1。圖6為2。葉片樣品斷口的微觀形貌。斷口表面無(wú)氧化產(chǎn)物，有大面積韌窩，伴隨解理開裂，晶界間存在孔洞等鑄造缺陷。252化工機(jī)械2013正a斷fI源lx-特征斷【I擴(kuò)鼴{《特}·雌慚h竹，_
8、_圖53’葉片微觀形貌5結(jié)論5．13。、4。葉片存在孔洞、裂紋等原始鑄造缺陷，組織中存在沿晶界分布的脆性相，加之葉片長(zhǎng)時(shí)間在高溫下運(yùn)行，承受熱交變應(yīng)力和粉塵沖刷，同時(shí)伴隨高溫氧化的作用下導(dǎo)致微觀裂紋擴(kuò)展、串圖62。葉片斷口微觀形貌接形成晶間宏觀裂紋，達(dá)到一定尺寸時(shí)，
9、沿樹枝晶晶間突然脆性斷裂。5．21。、24、5。、64葉片為瞬時(shí)斷裂，特征為以樹枝晶斷裂為主，伴隨韌窩、解理斷裂，存在二次裂紋。斷口表面氧化產(chǎn)物較少，應(yīng)該是后于3’、4‘葉片斷裂，推測(cè)為34、44碎斷的葉片沖擊造成的斷裂。5．3鑄造煙機(jī)葉片時(shí)要防止鑄造缺陷的產(chǎn)生。5．4在煙機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，要盡量降低煙機(jī)整機(jī)的振動(dòng)幅度和溫度波動(dòng)，從而減小振動(dòng)和
