某煙氣輪機葉片斷裂原因分析

， ， ， ， ， ， 杜娟，

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

煙氣輪機(簡稱煙機)是煉油廠催化裂化裝置能量回收機組的重要設備之一，也是故障率較高的設備之一[1-2]。2015-02-06，某煉油廠某煙機軸位移突然變化并超過聯(lián)鎖值，機組聯(lián)鎖停機。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，煙機內(nèi)有少部分靜葉片破碎，煙機轉(zhuǎn)子上73片動葉片全部自葉片根部發(fā)生斷裂，且動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。煙機與軸流風機聯(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。在以往煙機失效故障中，因催化劑顆粒沖刷造成動葉片磨損的案例較多[3-4]，但其磨損深度均未超過5 mm。本次煙機故障中，動葉片磨損深度達11 mm，遠大于以往報道中的數(shù)據(jù)，且磨痕清晰、規(guī)則。初步篩查發(fā)現(xiàn)，動葉片的表面結(jié)垢現(xiàn)象并不明顯，且三旋出口細粉等分析數(shù)據(jù)均證實本次故障動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，對此次煙機故障原因開展了深入細致的分析，明確了煙機葉片的斷裂原因，可為同類煙機葉片的失效分析提供參考依據(jù)[5-12]。

1 動葉片失效原因分析

動葉片的根部斷口形貌見圖1。

圖1 動葉片根部斷口形貌

該煙機動葉片材質(zhì)為GH864合金，測試得到的GH864合金化學成分見表1。從表1看出，動葉片材質(zhì)各元素的質(zhì)量分數(shù)均滿足HG/T 3650—1999《煙氣輪機技術(shù)條件》[13]中規(guī)定的GH864合金元素質(zhì)量分數(shù)標準范圍。

表1 動葉片材質(zhì)GH864合金化學成分(質(zhì)量分數(shù)) %

對動葉片根部附近金相組織進行觀察，發(fā)現(xiàn)動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。

動葉片斷口微觀組織見圖2～圖3。

圖2 動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，可能是因動葉片承受過載所致。

圖3 動葉片斷口微觀組織存在韌窩(700×)

從本次煙機故障的損壞情況檢查發(fā)現(xiàn)，動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。為了確定與動葉片摩擦的摩擦件，重點分析了圖1所示磨損部位的化學成分。為了進行對比，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行化學成分能譜檢測分析，得到的檢測分析結(jié)果分別見圖4和圖5。從圖4和圖5的能譜檢測分析結(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)量分數(shù)異常增高。通過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)量分數(shù)異常應為摩擦件摩擦殘留所致。

圖4 動葉片根部非磨損部位能譜檢測分析結(jié)果

圖5 動葉片根部磨損部位能譜檢測分析結(jié)果

對比煙機包括的零件材質(zhì)，富含F(xiàn)e元素而且硬度可與動葉片材質(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。為進一步確認何種材質(zhì)與動葉片發(fā)生摩擦導致其失效，對動葉片磨損處進行X射線光電子能譜分析(XPS)測試，對動葉片、靜葉片以及螺栓進行室溫和高溫的硬度測試。

XPS技術(shù)可以精確分析動葉片磨損部位表面的化學成分組成，筆者重點測試了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 動葉片中W元素XPS精細分析譜

動葉片、靜葉片及螺栓的室溫及高溫硬度測試平均值見圖7。對比發(fā)現(xiàn)，無論是室溫還是高溫下，都有靜葉片硬度值>動葉片硬度值>螺栓硬度值。由此推斷，與動葉片根部發(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]及光度法對靜葉片材質(zhì)化學成分進行測試分析，得到的結(jié)果見表2。從表2可以看出，靜葉片材質(zhì)各元素質(zhì)量分數(shù)均在HG/T 3650—1999中規(guī)定的K213合金元素質(zhì)量分數(shù)標準范圍之內(nèi)，并無異常。

表2 靜葉片材質(zhì)K213合金化學成分(質(zhì)量分數(shù)) %

對靜葉片進行金相組織分析，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，見圖8。

圖8 靜葉片金相組織中缺陷

為了進一步確定靜葉片的首斷件，在2017-08煙機停機檢維修過程中，將所有的動葉片和靜葉片殘留物一并打撈出來。經(jīng)過仔細辨認分析，最終選取了若干個疑似非正常沖擊斷裂的靜葉片斷裂件。對靜葉片斷裂件進行掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)有1個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50 μm，見圖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)對這些煙機靜葉片斷裂件斷口表面的黑色條帶進行進一步分析，發(fā)現(xiàn)黑色條帶處Cr、Al、Ti元素的質(zhì)量分數(shù)偏高，同時富含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)量分數(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，同時觀察到沿著金屬氧化膜開裂的裂紋。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程中或者長時間服役過程中形成的。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，形成金屬氧化膜。當金屬氧化膜達到一定厚度時因應力集中形成裂紋，引起靜葉片強度降低。煙機運轉(zhuǎn)過程中，在高溫熱交變應力、粉塵沖刷及高溫氧化環(huán)境作用下，裂紋進一步沿氧化膜發(fā)生擴展，最終導致靜葉片斷裂。

對該靜葉片殘骸的磨損處進行XPS測試分析，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

對照靜葉片K213合金和動葉片GH864合金化學成分，發(fā)現(xiàn)Mo和Co元素只存在于動葉片化學成分中，進一步證實了該靜葉片殘骸與動葉片接觸并相互摩擦磨損的判斷。

3 結(jié)論

(1)煙機動葉片的根部磨損不是由催化劑顆粒沖刷造成的，磨損動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)境熱交變應力、粉塵沖刷及高溫氧化作用下，裂紋沿氧化膜處擴展，引起靜葉片強度降低，最終導致在氧化膜處發(fā)生斷裂。

(3)靜葉片斷裂件與動葉片榫齒部位發(fā)生了嚴重的磨損，導致動葉片的承載面積減小，受載強度增大，最終因過載致使動葉片發(fā)生斷裂，從而導致煙機失效。

(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，是確保煙機長期安全運行的有效手段。