丙烯酸裝置循環(huán)氣壓縮機(jī)葉片損傷分析與修復(fù)

梁宗忠，張洪濤，張林平

(1.中國石油 蘭州石化分公司，甘肅 蘭州 730060；2.蘭州金研激光再制造技術(shù)開發(fā)有限公司，甘肅 蘭州 730060)

某石化公司8×104t/a丙烯酸及10×104t/a丙烯酸酯裝置,分別采用丙烯氣相兩步氧化法生產(chǎn)丙烯酸和連續(xù)酯化法生產(chǎn)丙烯酸甲/乙酯、丁酯。該裝置于2008-04正式投料運(yùn)行，2019-03-23 T18:22丙烯酸裝置循環(huán)氣壓縮機(jī)VI1228(振動值測點(diǎn)位號)振動幅度達(dá)128 μm，觸發(fā)聯(lián)鎖值(振幅75 μm)停機(jī)，造成丙烯酸裝置停車。查閱裝置停車前的相關(guān)工藝設(shè)備運(yùn)行記錄，可以確定工藝參數(shù)穩(wěn)定并無異常。停機(jī)解體檢查后，發(fā)現(xiàn)一級葉輪葉片斷裂, 碎片約95 mm×69 mm(長×寬)，斷裂碎片造成其它葉片不同程度損傷，一級蝸殼導(dǎo)流片局部損傷，二級葉輪正常。筆者對葉片損傷原因進(jìn)行分析，并采用激光熔覆方法對葉片進(jìn)行了修復(fù)。

1 失效葉片理化檢驗

1.1 宏觀分析

葉片斷裂的葉盤宏觀形貌見圖1。圖1中葉盤不止1個葉片發(fā)生了掉角，其中一級葉片斷角最為嚴(yán)重。

圖1 葉片斷裂的葉盤宏觀形貌

截取失效葉片的斷裂碎片進(jìn)行宏觀形貌檢查，并進(jìn)一步放大葉片斷口進(jìn)行宏觀形貌觀察，結(jié)果見圖2～圖4。

圖2 掉角葉片的葉背側(cè)宏觀形貌

圖3 掉角葉片的葉盆側(cè)宏觀形貌

圖4 葉片斷口宏觀形貌

圖2中葉片掉角斷口呈圓弧狀，可明顯觀察到葉背自斷口處延伸出的1條長裂紋。圖3中可見葉盆側(cè)已出現(xiàn)細(xì)小的短裂紋。圖4中的葉片斷口截面可觀察到明顯裂紋，斷口局部形貌較平坦，顏色為淺灰色，無明顯被污染或被氧化痕跡，局部可見明顯弧線，呈典型疲勞斷裂特征。根據(jù)弧線的擴(kuò)展方向可判斷，裂紋源在葉盆一側(cè)的表面上，斷裂源已受到破壞(圖4最右側(cè)箭頭所指附近)，斷口邊緣有較嚴(yán)重的塑性變形。綜合分析圖2～圖4的觀察結(jié)果，可推斷裂紋從厚度方向貫穿了葉片，而且還有進(jìn)一步開裂的趨勢。

1.2 微觀分析

對葉片斷口樣品進(jìn)行整體和特定局部區(qū)域的掃描電鏡(SEM)放大觀察，結(jié)果見圖5～圖8。

圖5所示葉片斷口整體低倍形貌斷口大致分為3個不同區(qū)域，分別標(biāo)記為①區(qū)、②區(qū)和③區(qū)。圖6所示①區(qū)局部斷口放大形貌可見大量疲勞輝紋，有明顯裂紋擴(kuò)展弧線，依據(jù)這些弧線的擴(kuò)展方向確定裂紋源位于斷口葉盆側(cè)表面，大致在①區(qū)下側(cè)箭頭所指位置。圖7所示②區(qū)局部斷口放大形貌較平坦，無明顯特征，判斷為裂紋擴(kuò)展區(qū)域，可見準(zhǔn)解理斷裂形貌，均是典型的疲勞斷裂特征[1-4]。圖8所示③區(qū)位于斷口邊緣附近，斷口起伏較大，判斷為裂紋最終瞬斷區(qū),斷口受到嚴(yán)重的碰撞和磨損影響，斷口形貌已難以辨認(rèn)。

圖7 葉片斷口②區(qū)局部SEM放大形貌(50×)

圖8 葉片斷口③區(qū)局部SEM放大形貌(200×)

1.3 X射線能譜分析

在失效葉片的葉盆側(cè)表面選取3處較平坦區(qū)域進(jìn)行X 射線能譜分析，分析結(jié)果表明3個區(qū)域材料的化學(xué)成分含量基本一致，符合GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號及化學(xué)成分》[5]中對沉淀硬化不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb的要求，未發(fā)現(xiàn)S、Cl等腐蝕性介質(zhì)元素。

2 失效葉片斷裂原因分析

宏觀分析、微觀分析以及X射線能譜檢驗發(fā)現(xiàn)失效葉片主要存在疲勞輝紋、斷口呈準(zhǔn)解理形貌和疲勞斷口表面的弧線間距較大等異常，并以此得出本次葉片掉角斷裂的原因為疲勞斷裂[1-4]。疲勞斷裂通常是指在承受交變或波動應(yīng)變的構(gòu)件中，由于應(yīng)力集中或強(qiáng)度較低首先產(chǎn)生裂紋，在交變應(yīng)力作用下裂紋隨后擴(kuò)展，經(jīng)一定的循環(huán)周次后超出材料疲勞極限而發(fā)生的斷裂。金屬材料的疲勞一般分為疲勞裂紋萌生階段、疲勞裂紋生長階段及疲勞斷裂階段[6-8]。

對循環(huán)氣壓縮機(jī)葉片結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況進(jìn)行的分析也可得到相同的結(jié)論。丙烯酸裝置中循環(huán)氣壓縮機(jī)型號RHH1S2VD15 U180 KBGGX，為兩級高速離心壓縮機(jī)，其葉輪為德國FIMA公司原廠制造，屬于三元流動半開式葉輪，一次加工成型，材質(zhì)為0Cr17Ni4Cu4Nb。在丙烯酸生產(chǎn)工藝流程中，循環(huán)氣壓縮機(jī)負(fù)責(zé)急冷塔(T-1110)塔頂出來的沒有被吸收的氣體的兩級壓縮，其運(yùn)行時的轉(zhuǎn)速為12 492 r/min，壓縮介質(zhì)為水蒸氣、烯、烷、醛、酸等氣液混合體，吸入介質(zhì)溫度58.0～69.0 ℃，出口介質(zhì)溫度155.0～205.0 ℃。循環(huán)氣壓縮機(jī)葉片前端與蓋盤和底盤的接觸位置應(yīng)力較大,屬于發(fā)生疲勞失效的危險位置。

循環(huán)氣壓縮機(jī)正常運(yùn)行時，葉片處在高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速高達(dá)12 492 r/min，同時又處于一個溫升的過程當(dāng)中，葉片處于軸向和徑向切力的共同作用下。循環(huán)氣壓縮機(jī)開、停機(jī)時，葉片局部應(yīng)力大幅波動，尤其是突發(fā)性的停機(jī)會同時伴有溫度突變，過載應(yīng)力也更大。循環(huán)氣壓縮機(jī)自開車以來發(fā)生停機(jī)近70次，其中2017～2018年有12次停機(jī)，2018年由于設(shè)備故障和電儀等原因發(fā)生的突發(fā)性停機(jī)4次，這些都為葉片疲勞裂紋的萌生、擴(kuò)展及斷裂創(chuàng)造了條件[9-10]。

綜合以上分析，推斷循環(huán)氣壓縮機(jī)葉片損壞的原因為，葉輪葉片的斷裂是由于疲勞造成的，葉輪運(yùn)行中葉片表面在振動引起的應(yīng)力交變作用下萌生裂紋，裂紋隨著作用時間的延續(xù)逐漸向縱深發(fā)展，多次開、停車，特別是事故狀態(tài)下的急停，對裂紋的萌生和擴(kuò)展起到促進(jìn)作用，導(dǎo)致葉片最終完全斷裂[11-15]。

3 失效葉片激光熔覆修復(fù)

3.1 修復(fù)技術(shù)簡介[16-18]

選擇激光熔覆技術(shù)進(jìn)行失效葉片的修復(fù)。激光熔覆通常采用在基體上預(yù)置涂層或噴吹送粉方法加入熔覆金屬，利用激光束聚焦能量極高的特點(diǎn)，在瞬間將基體表面微熔，同時使基體表面預(yù)置的熔覆層金屬粉末(與基體材質(zhì)相同或相近)全部熔化，激光離去后快速凝固，獲得與基體為冶金結(jié)合的致密覆層，能使零件表面恢復(fù)幾何外形尺寸，而且使表面涂層強(qiáng)化。

激光熔覆具有以下技術(shù)上的先進(jìn)性，①激光熔覆層與基體形成冶金結(jié)合,其結(jié)合強(qiáng)度不低于原本體材料的90%。②基體材料在激光加工過程中僅表面微熔，微熔單層厚度為0.05～0.1 mm。基體熱影響區(qū)極小，一般為0.1～0.2 mm。③熔覆層與基體均無粗大的鑄造組織，熔覆層及其界面組織致密，晶體細(xì)小，無孔洞，無夾雜裂紋等缺陷。④激光加工過程中基體溫升不超過80 ℃，激光加工后無熱變形。⑤激光熔覆技術(shù)可控性好，易實現(xiàn)自動化控制。⑥激光熔覆層組織是由底層、中間層以及面層組成的各具特點(diǎn)的梯度功能材料，底層具有與基體浸潤性好、結(jié)合強(qiáng)度高等特點(diǎn)，中間層具有一定強(qiáng)度和硬度、抗裂性好等優(yōu)點(diǎn)，面層具有抗沖刷、耐磨損和耐腐蝕等特點(diǎn)，能夠使修復(fù)后的設(shè)備在安全性能和使用性能上更加有保障。

這些先進(jìn)性特點(diǎn)解決了振動焊、氬弧焊、噴涂及鍍層等傳統(tǒng)修理方法無法解決的材料選用局限性、工藝過程熱應(yīng)力、熱變形、材料晶粒粗大、基體材料結(jié)合強(qiáng)度難以保證等問題，是其被選擇并應(yīng)用到損壞葉片修復(fù)的主要原因。

3.2 修復(fù)工藝要點(diǎn)

(1)對循環(huán)氣壓縮機(jī)葉輪進(jìn)行熒光二級無損檢測，通過檢測確定變形彎曲葉片內(nèi)存在的肉眼不可見裂紋，以及葉片進(jìn)氣邊擊傷處和葉輪整體存在的裂紋及熒光顯示大于?0.5 mm的孔洞缺陷，并予以消除。

(2)對葉輪的修復(fù)采用等強(qiáng)度焊接技術(shù)，保證修復(fù)的葉輪與原葉輪母材強(qiáng)度相同。

(3)熱處理工藝后進(jìn)行修復(fù)葉片的金相組織檢測、硬度檢測,以達(dá)到0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼金相檢驗要求為合格[19]。

(4)對葉型完整面采用激光三維掃描測繪葉型，要求誤差在0.02 mm以內(nèi)，4截面制作葉型模板和胎具。

(5)采用3 kW光纖激光快速切割葉輪變形部位的葉身部分，采用CNC計算機(jī)數(shù)控技術(shù)輔助控制并磨除約0.2 mm再鑄層。

(6)采用高能微弧冷焊工藝制作過渡層(與母材同，要求0.5 mm厚)，其熱影響區(qū)僅為0.01 mm，焊后強(qiáng)度至少為母體強(qiáng)度的95%。

(7)采用CO2激光仿形熔鑄工藝輔助CNC系統(tǒng)激光無模成型至原尺寸。采用CNC控制系統(tǒng)進(jìn)行壓縮機(jī)葉片葉型的三維生長控制，生長出的部分要達(dá)到原葉片形態(tài)，避免焊后的葉片葉型還要再次人為調(diào)整。

(8)采用超聲波對焊道邊緣和中心進(jìn)行沖擊，每生長2 mm沖擊1次，使焊接后產(chǎn)生的拉應(yīng)力狀態(tài)調(diào)整為壓應(yīng)力狀態(tài)。

(9)對葉輪在真空、300 ℃條件下，退火8 h消除殘余應(yīng)力。

(10)使用模板，按4個截面修形，修磨去除超出原葉片厚度的部分，用胎具糾形、修整，要求胎具貼合面積大于90%。

(11)葉輪修復(fù)后對修復(fù)區(qū)域進(jìn)行熒光和X光檢測，確保焊后無線性和熒光顯示大于?0.5 mm的孔洞焊接缺陷。

(12)采用拋丸和表面碾壓處理，提高葉片表面的抗疲勞強(qiáng)度。

(13)對葉輪及轉(zhuǎn)子進(jìn)行動平衡試驗。將軸單獨(dú)與二級葉輪裝配后，對修復(fù)后的二級葉輪做靜平衡，隨后做1 500 r/min低速動平衡。按照額定轉(zhuǎn)速的115%轉(zhuǎn)速對二級葉輪做超速試驗。將一、二級葉輪安裝在軸上，對整根轉(zhuǎn)子做1 500 r/min低速動平衡，在額定轉(zhuǎn)速12 492 r/min下對整根轉(zhuǎn)子做高速動平衡。

4 結(jié)語

介紹了某石化公司聚丙烯裝置循環(huán)氣壓縮機(jī)葉片斷裂損傷情況，結(jié)合斷裂葉片的理化檢驗結(jié)果和壓縮機(jī)葉片的運(yùn)行情況，分析并確定了葉片疲勞斷裂的原因，介紹了激光熔覆技術(shù)及其在損傷葉片修復(fù)中的應(yīng)用。壓縮機(jī)于2019-06重新投入運(yùn)行, 葉片修復(fù)后的葉輪通過性能鑒定，運(yùn)行良好。