催化裂化裝置主風(fēng)機(jī)葉片裂紋原因分析及對(duì)策

陶 濤

(中國(guó)石化勝利油田分公司石油化工總廠，山東 東營(yíng) 257000)

重油催化裂化裝置主風(fēng)機(jī)檢修中發(fā)現(xiàn)一級(jí)葉輪的葉片出現(xiàn)裂紋，返回原制造廠進(jìn)行進(jìn)一步的檢查和修理。由于全廠生產(chǎn)需要，重油催化裂化裝置主風(fēng)機(jī)必須按計(jì)劃日期開(kāi)機(jī)，制造更換新的一級(jí)葉輪工期不夠，與制造廠協(xié)商采用補(bǔ)焊的方法進(jìn)行修復(fù)，以應(yīng)生產(chǎn)之急需。討論制定了比較可靠的技術(shù)方案，采取措施確保施工質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)一次焊接合格，達(dá)到預(yù)期的修復(fù)目標(biāo)。本文對(duì)葉片產(chǎn)生裂紋的原因，葉片焊接修復(fù)工藝及應(yīng)注意的問(wèn)題進(jìn)行了討論。

1 主風(fēng)機(jī)組概況

主風(fēng)機(jī)組由煙氣輪機(jī)、主風(fēng)機(jī)、增速箱、電動(dòng)發(fā)電機(jī)組成，具體參見(jiàn)圖1。

主風(fēng)機(jī)為離心式壓縮機(jī)，其工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 主風(fēng)機(jī)機(jī)組(mm)

2 主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子檢查情況

該轉(zhuǎn)子有三級(jí)葉輪,參見(jiàn)第119頁(yè)圖2。經(jīng)檢查和測(cè)量，三級(jí)葉輪和主軸的徑向跳動(dòng)和端面跳動(dòng)皆合格，第二級(jí)和第三級(jí)葉輪皆未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)的缺陷。第一

表1 主風(fēng)機(jī)的工藝參數(shù)

級(jí)葉輪有兩片葉片出現(xiàn)裂紋，第一片葉片(簡(jiǎn)稱葉片1)的裂紋貫穿，裂紋長(zhǎng)度約100 mm,參見(jiàn)圖3和圖4；第二片葉片(簡(jiǎn)稱葉片2)的裂紋長(zhǎng)度約15 mm,參見(jiàn)圖5。葉輪和葉片的材料皆為FV520B,葉片與輪盤(pán)、輪蓋皆為焊接結(jié)構(gòu)。

圖2 主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子

圖3 葉片1裂紋(入口方向看)

圖4 葉片1裂紋(葉片方向看)

3 葉片產(chǎn)生裂紋的原因分析

FV520B不銹鋼是英國(guó)Firth Viehers材料研究所在原有FV520不銹鋼的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的一種新型低碳馬氏體沉淀硬化不銹鋼。該材料具有易于加工、強(qiáng)度高、韌性良好、耐腐蝕性優(yōu)良和可焊性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于齒輪、軸、葉片、轉(zhuǎn)子等工業(yè)零部件的制造。FV520B不銹鋼的力學(xué)性能對(duì)熱處理敏感。

圖5 葉片2裂紋

1) 離心壓縮機(jī)葉輪上的葉片，在葉輪高速旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，要承受較高的離心力，還會(huì)受到振動(dòng)、氣流脈動(dòng)、氣流和外物的沖擊等交變載荷的激振作用，加上焊接處的物理力學(xué)性能的變化，葉片可能會(huì)在遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度的應(yīng)力水平下發(fā)生疲勞斷裂。

2) 焊接工藝會(huì)在焊接構(gòu)件中產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力，會(huì)降低焊接構(gòu)件的力學(xué)性能。

3) 由于三元流葉片的葉型復(fù)雜，葉片焊接過(guò)程中如果強(qiáng)制組對(duì)，會(huì)增加殘余應(yīng)力。

4) 焊后熱處理是消除焊接構(gòu)件殘余應(yīng)力，改善組織性能的有效措施。由于葉輪的形狀比較復(fù)雜，加之焊接與熱處理時(shí)序、熱處理工藝等影響，各個(gè)葉片焊后的組織和力學(xué)性能有一定的差異。

5) 由于三元流葉片的葉型復(fù)雜，葉片與輪盤(pán)、輪蓋的組焊存在偏差等，葉片的受力狀態(tài)存在差異。

6) 兩片葉片的裂紋皆存在于焊趾附近，即焊縫與母材的交界處，這主要是由于焊接高溫及熔池凝固時(shí)導(dǎo)致附近材料的物理力學(xué)性能發(fā)生了較大的變化，加之界面過(guò)度引起應(yīng)力集中，使疲勞裂紋易于在位向有利的晶粒處萌生[1]。

4 葉片裂紋的焊接修復(fù)

4.1 葉片1的焊接修復(fù)工藝

4.1.1 修葉片錯(cuò)口

手工修葉片錯(cuò)口，允許熱修，火焰局部加熱，加熱溫度不超過(guò)520 ℃，加熱過(guò)程需用紅外線檢測(cè)葉片加熱部位的溫度。要將錯(cuò)口矯正到自由狀態(tài)，避免強(qiáng)制組焊。

4.1.2 100 mm長(zhǎng)裂紋缺陷正面補(bǔ)焊工藝

100 mm長(zhǎng)裂紋缺陷采用雙面成型工藝。

為減少焊接變形，100 mm長(zhǎng)裂紋缺陷可分2次～3次分別磨坡口，每次按如下工藝焊接：

1) 打磨：清理打磨裂紋缺陷，用砂輪或指型銑刀(Φ6 mm)，磨出單邊坡口，注意裂紋端部磨凈。

2) 探傷:著色探傷坡口沒(méi)有裂紋。

3) 清理:焊接部位不允許有油污、灰塵及探傷痕跡。

4) 預(yù)熱:葉輪補(bǔ)焊部位用乙炔火焰局部預(yù)熱至200 ℃，保溫20 min～30 min。

5) 焊接:采用氬弧焊工藝焊接，對(duì)于氬弧焊焊接不到的部位采用手工電弧焊補(bǔ)焊。焊絲：FV520BΦ1.6 mm。補(bǔ)焊焊道，正接，電流90 A～125 A，電壓11 V～13 V，焊接速度90 mm/min～120 mm/min,道間溫度150 ℃～200 ℃?；鼗鸷傅溃?，電流110 A～125 A，電壓12 V～13 V，焊接速度80 mm/min～110 mm/min,道間溫度150 ℃～200 ℃。

6) 焊后用氧乙炔火焰對(duì)焊縫部位局部加熱250 ℃～300 ℃，保溫20 min～30 min，緩冷。

7) 打磨：仔細(xì)打磨補(bǔ)焊部位，并對(duì)焊接部位拋光處理。

8) 焊縫表面探傷合格。

4.1.3 100 mm長(zhǎng)裂紋缺陷背面補(bǔ)焊工藝

100 mm長(zhǎng)裂紋缺陷采用雙面成型工藝。

1) 清理：清理打磨背部焊縫。

2) 探傷：著色探傷合格。

3) 預(yù)熱：葉輪補(bǔ)焊部位用乙炔火焰局部預(yù)熱至200 ℃，保溫20 min～30 min。

4) 焊接：采用手工電弧焊焊接。焊條680 S，Φ3.2 mm，焊接電流60 A～100 A，焊條預(yù)熱溫度350 ℃ 2 h。

5) 焊后用氧乙炔火焰對(duì)焊縫部位局部加熱250 ℃～300 ℃，保溫20 min～30 min，緩冷。

6) 打磨：仔細(xì)打磨補(bǔ)焊部位，并對(duì)焊接部位拋光處理。

7) 焊縫表面探傷合格。超聲波復(fù)探焊縫合格。

4.2 葉片裂紋的焊接修復(fù)應(yīng)注意的問(wèn)題

葉片的補(bǔ)焊應(yīng)注意，避免強(qiáng)制組焊；每層焊完之后，要檢查并消除裂紋，再進(jìn)行焊接。盡力保證一次焊接合格，避免返工降低焊縫和熱影響區(qū)母材的力學(xué)性能。

FV520B鋼葉輪，焊后固溶化能消除焊接高溫引起的殘余應(yīng)力，改善焊接部位的微觀組織和力學(xué)性能，提高抗拉伸性能和抗疲勞性能。

調(diào)質(zhì)和時(shí)效熱處理工藝能夠優(yōu)化FV520B鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，形成細(xì)小均勻的回火馬氏體和彌散析出的第二相組織，提高FV520B鋼的綜合力學(xué)性能。時(shí)效溫度升高，焊縫的強(qiáng)度、硬度有所降低，但塑性、韌性變得更好。

如果條件允許，且能夠有效控制葉輪的變形，可采取整體熱處理，改善葉輪的微觀組織，提高葉輪整體力學(xué)性能。

5 延長(zhǎng)葉輪壽命

決定葉輪疲勞壽命的工作應(yīng)力有兩個(gè)，即穩(wěn)態(tài)應(yīng)力水平和交變應(yīng)力水平。任何一個(gè)應(yīng)力水平過(guò)高，都會(huì)導(dǎo)致疲勞壽命降低；降低穩(wěn)態(tài)應(yīng)力水平可以通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，降低交變應(yīng)力水平主要靠運(yùn)行管理來(lái)控制。

此葉輪的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，其穩(wěn)態(tài)應(yīng)力水平主要取決于轉(zhuǎn)速。交變應(yīng)力水平取決于負(fù)荷的波動(dòng)，包括轉(zhuǎn)速的波動(dòng)。該機(jī)組中，主風(fēng)機(jī)由煙氣輪機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，再生器對(duì)主風(fēng)需求的變化，導(dǎo)致主風(fēng)機(jī)負(fù)荷的變化；再生器煙氣流量、壓力、溫度的變化，都將導(dǎo)致煙氣輪機(jī)輸出功率的變化;由于電動(dòng)機(jī)為異步電機(jī)，煙氣輪機(jī)輸出功率的變化將導(dǎo)致煙氣輪機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。反再系統(tǒng)的平穩(wěn)操作，是降低主風(fēng)機(jī)葉輪交變應(yīng)力的主要因素。

檢修中檢查主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)現(xiàn)，一級(jí)葉輪根部受進(jìn)氣氣流沖刷明顯，進(jìn)氣氣流中細(xì)小顆粒的沖蝕將降低其疲勞強(qiáng)度。對(duì)于空氣中浮塵較重的地區(qū)，為減輕進(jìn)氣氣流對(duì)一級(jí)葉輪根部的沖蝕，可加裝主風(fēng)機(jī)入口過(guò)濾器。

防止主風(fēng)機(jī)喘振，喘振狀態(tài)運(yùn)行易造成葉片的損壞。避免低流量高壓力運(yùn)行，確保反飛動(dòng)自?？刂葡到y(tǒng)可靠，及時(shí)處理不穩(wěn)定的運(yùn)行工況。

優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造工藝，使葉片的應(yīng)力分布合理，盡可能消除制造殘余應(yīng)力，降低材料的缺口敏感性，選取合理的應(yīng)力安全系數(shù)，避免葉輪發(fā)生疲勞損壞[2-3]。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于離心式壓縮機(jī)，F(xiàn)V520B材料的閉式葉輪，葉片裂紋采用補(bǔ)焊的方法能夠進(jìn)行修復(fù)。但修復(fù)后，由于葉輪熱處理?xiàng)l件受限(整體熱處理轉(zhuǎn)子、葉輪的變形問(wèn)題等)，焊接部位的金相組織劣化，力學(xué)性能降低，抗疲勞損傷的性能降低，難以保證葉輪長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。因此，葉片裂紋采用補(bǔ)焊的方法進(jìn)行修復(fù)，可以作為應(yīng)急措施，但為保證機(jī)組長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行，應(yīng)擇機(jī)更換葉輪，消除機(jī)組安全運(yùn)行的隱患。

為保證機(jī)組的安全可靠性，必需消除葉片產(chǎn)生疲勞裂紋的危險(xiǎn)因素。優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造工藝，保證應(yīng)力在允許值以下和材料性能穩(wěn)定，同時(shí)，控制機(jī)組在設(shè)計(jì)允許的工況條件下運(yùn)行，及時(shí)處理異常工況，是避免葉輪發(fā)生疲勞損壞的基本保障。