硫磺回收單元主風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉閥葉片斷裂分析

楊林，陳立，羅華，王亞軍，劉超，吳敬清，孫雷

中國石油西南油氣田分公司川東北作業(yè)分公司（四川 成都 610021）

某高含硫項(xiàng)目天然氣凈化處理裝置硫磺回收單元生產(chǎn)工藝采用克勞斯法，克勞斯燃燒爐由主風(fēng)機(jī)提供燃料空氣。單列硫磺回收單元設(shè)計(jì)安裝有3臺(tái)主風(fēng)機(jī)，其中2臺(tái)采用蒸汽透平驅(qū)動(dòng)，正常生產(chǎn)過程中使用，另1臺(tái)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，主要作為備用風(fēng)機(jī)，開產(chǎn)期間和蒸汽透平驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)故障時(shí)運(yùn)行。在正常生產(chǎn)過程中，其中1臺(tái)透平驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)口IGV導(dǎo)葉閥導(dǎo)葉突然斷裂，斷裂導(dǎo)葉片進(jìn)入風(fēng)機(jī)蝸殼造成葉輪嚴(yán)重受損，風(fēng)機(jī)振動(dòng)聯(lián)鎖停機(jī)，工藝操作人員及時(shí)啟動(dòng)備用電驅(qū)風(fēng)機(jī)，調(diào)整硫磺回收單元工藝操作，未對(duì)生產(chǎn)造成較大影響。

1 主風(fēng)機(jī)機(jī)組及入口IGV導(dǎo)葉閥原理

硫磺回收單元蒸汽透平驅(qū)動(dòng)主風(fēng)機(jī)組為離心式鼓風(fēng)機(jī)組，風(fēng)機(jī)出廠日期為2006年1月，2016年投入使用。主要由蒸汽透平、軸承箱、主風(fēng)機(jī)、IGV導(dǎo)葉閥、膨脹節(jié)、空氣過濾器及潤滑油系統(tǒng)等幾部分組成，如圖1所示。風(fēng)機(jī)出口壓力為0.09 MPa，功率為587 kW，設(shè)計(jì)流量為25 943 kg/h，流量通過進(jìn)口IGV導(dǎo)葉閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。IGV導(dǎo)葉閥葉片是安裝在進(jìn)氣口葉輪前面的可調(diào)節(jié)角度的擋板，導(dǎo)葉片通過角度調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣流量大小和進(jìn)氣流向的控制。IGV導(dǎo)葉閥控制風(fēng)機(jī)入口空氣流由軸向流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪七M(jìn)流動(dòng)，稱之為預(yù)旋，導(dǎo)葉開度與氣流產(chǎn)生預(yù)旋的程度成反比，導(dǎo)葉開度越小，預(yù)旋越強(qiáng)烈，風(fēng)機(jī)葉輪入口的壓頭越低，導(dǎo)葉片兩側(cè)壓差越大[1-5]。

圖1 風(fēng)機(jī)機(jī)組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 主風(fēng)機(jī)IGV導(dǎo)葉閥斷裂導(dǎo)葉片情況

主風(fēng)機(jī)IGV導(dǎo)葉閥共9片導(dǎo)葉，形狀呈扇形，圓周均勻分布排列組成整個(gè)圓形截面，導(dǎo)葉片材質(zhì)為EN標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)G-X5CrNi13 4V，添加少量金屬釩，以改善合金性能。導(dǎo)葉片長約170 mm，葉片根部弧長約140 mm，導(dǎo)葉片厚度約5 mm。斷裂導(dǎo)葉片在距葉片根部約40 mm處斷裂，斷裂面呈弧形，導(dǎo)葉片在斷裂后進(jìn)入主風(fēng)機(jī)蝸殼，與風(fēng)機(jī)葉輪發(fā)生碰撞后，導(dǎo)葉片翼尖發(fā)生彎曲變形，如圖2所示。

截取斷裂導(dǎo)葉片部分材料，采用化學(xué)分析法進(jìn)行材質(zhì)成分測(cè)試，結(jié)果見表1。試樣成分滿足標(biāo)準(zhǔn)DIN EN 10283:2010《Corrosion resistant steel castings》要求。在斷裂導(dǎo)葉片上取樣進(jìn)行布氏硬度測(cè)試，試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 231.1—2018《金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》，硬度平均值為262.1 HB，參考標(biāo)準(zhǔn)DIN_17445:1984《Stainless steel castings:Technical delivery conditions》中對(duì)材料硬度的要求，樣品測(cè)試的硬度值均在標(biāo)準(zhǔn)要求的240～300 HB范圍內(nèi)。

圖2 IGV導(dǎo)葉閥斷裂導(dǎo)葉片

表1 導(dǎo)葉片材質(zhì)成分測(cè)試（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） /%

3 實(shí)驗(yàn)室檢查分析

3.1 斷裂導(dǎo)葉片宏觀外貌

斷裂導(dǎo)葉片外表面沉積較多污漬，打磨清洗部分位置進(jìn)行觀察，在低倍顯微鏡下觀察形貌如圖3所示，導(dǎo)葉片表面存在較多外形不規(guī)則的腐蝕小坑，初步判斷是導(dǎo)葉片在正常工作中，表面長期沉積有腐蝕性污垢造成的。

進(jìn)一步觀察斷裂導(dǎo)葉片斷口，沒有宏觀塑性變形，斷口平齊，基本垂直于表面，顏色呈暗灰色。在斷口一側(cè)有一處圓形缺陷，為氧化物夾雜，斷口邊緣存在一個(gè)腐蝕坑，如圖4所示。在斷口的一側(cè)可以觀察到倒“人”字花紋，具有脆性斷口的宏觀典型特征。一般情況下，斷口初始裂紋會(huì)在材料表面缺口、內(nèi)部缺陷處萌生。此處斷口分別存在一個(gè)表面的腐蝕小坑和一個(gè)放大20倍可見的夾雜，為了確定初始裂紋的位置和斷口的微觀性質(zhì)，決定使用掃描電鏡對(duì)斷口部分位置進(jìn)一步檢查。

圖3 斷裂導(dǎo)葉片表面形貌

圖4 斷裂導(dǎo)葉片斷口宏觀形貌

3.2 導(dǎo)葉片斷口在電子顯微鏡下外貌

導(dǎo)葉片斷口微觀形貌如圖5所示，裂紋起源區(qū)附近的微觀形貌圖片顯示，斷口微觀形貌基本全部為類似撕裂棱的條形，這種形貌是裂紋在發(fā)展時(shí)，沿原奧氏體晶粒內(nèi)的板條狀馬氏體開裂而形成的；裂紋擴(kuò)展區(qū)可以觀察到部分較小的河流狀形貌，將其放大至1 000倍后，其形貌依舊呈條形狀，呈現(xiàn)較規(guī)整的排列，表示裂紋在此部分?jǐn)U展時(shí)，其方向是一致的；裂紋終斷區(qū)內(nèi)分布著大小不一的韌窩，因顯微組織是馬氏體，這類材料的韌性一般相對(duì)較差，在發(fā)生韌性撕裂時(shí)，很難形成內(nèi)縮頸，導(dǎo)致形成的韌窩變小、變淺。

圖5 導(dǎo)葉片斷口微觀形貌

縱觀整個(gè)斷口，在裂紋起源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)，斷口的微觀性質(zhì)以解理斷口為主，同時(shí)存在很少量的準(zhǔn)解理斷口，屬于脆性斷口，在終斷區(qū)，微觀形貌基本是大小不一、較淺的韌窩，屬于韌性斷口[6-9]。

3.3 導(dǎo)葉片斷口在光學(xué)顯微鏡下缺陷

在高倍顯微鏡下觀察導(dǎo)葉片斷口形貌，發(fā)現(xiàn)有圓形缺陷，在放大200倍下，缺陷呈圓形凹坑，微觀形貌如圖6（a）所示，直徑約120μm，深度約65μm，外觀規(guī)則呈正圓形，凹坑內(nèi)壁光滑，圖中凹坑中心的亮白點(diǎn)，即為凹坑底部反射光源所形成的。經(jīng)過對(duì)比分析，該凹坑缺陷初步判斷是葉片鑄造時(shí)，形成的內(nèi)部氣孔；繼續(xù)觀察斷面，又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)有縮松和氣孔缺陷共4個(gè)，其中一個(gè)縮松缺陷沿?cái)嗝婧穸确较蚍植?，可觀測(cè)的全尺寸為3.54 mm×0.85 mm，如圖6（b）所示，缺陷的一端已經(jīng)接近導(dǎo)葉片表面。

圖6 葉片斷口光學(xué)顯微鏡下缺陷

3.4 斷裂導(dǎo)葉片金相試樣形貌

在斷裂導(dǎo)葉片上截取金相試樣進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)邊緣存在小裂紋，形貌如圖7（a）所示，圖中黑色不規(guī)則的位置，實(shí)際為孔洞，孔洞周圍有沿晶界擴(kuò)展的裂紋，裂紋向內(nèi)擴(kuò)展總長度約0.2 mm，該位置表面的晶粒已經(jīng)有部分脫落，為晶間腐蝕裂紋。在試樣厚度的靠中心位置，發(fā)現(xiàn)了形狀不規(guī)則缺陷，這些缺陷為聚集不連續(xù)的小尺寸孔洞，是鑄造時(shí)形成的縮松，尺寸為1.36 mm×0.65 mm，最大孔深9 μm，如圖7（b）所示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5611—2017《鑄造術(shù)語》，這種缺陷屬于顯微縮松，對(duì)于鑄造件，這些缺陷會(huì)影響材料的性能。

圖7 導(dǎo)葉片金相試樣裂紋及缺陷

4 導(dǎo)葉片斷裂原因簡(jiǎn)析

4.1 導(dǎo)葉片表面沉積物腐蝕

斷裂導(dǎo)葉片表面有沉積污漬，被沉積物覆蓋的地方形成有利于腐蝕發(fā)生的條件，結(jié)合導(dǎo)葉片本身含有較多的夾雜物，容易出現(xiàn)點(diǎn)蝕、晶間腐蝕。導(dǎo)葉片的表面也存在不規(guī)則的晶間腐蝕小坑，可能會(huì)引起導(dǎo)葉片失效斷裂。但是，由晶間腐蝕裂紋、點(diǎn)蝕坑引起的開裂，在高倍鏡下觀察，可以觀察到裂紋源到其他方向上的次要裂紋，但該斷裂導(dǎo)葉片未發(fā)現(xiàn)這種情況，說明導(dǎo)葉片斷裂不是由腐蝕引起的[10-13]。

4.2 導(dǎo)葉片制造加工缺陷

在斷裂導(dǎo)葉片的斷口和金相試驗(yàn)樣截面均可觀察到明顯的鑄造缺陷，如夾雜、縮松、氣孔以及從缺陷周圍延伸出來的沿晶裂紋，如圖6（b）中斷裂導(dǎo)葉片的縮松長度達(dá)到3.54 mm，已占到截面厚度的70%，這些缺陷的存在，會(huì)影響導(dǎo)葉片受力性能。

4.3 生產(chǎn)工況影響

正常生產(chǎn)狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉閥葉片要求開度在20°～30°之間，而查閱導(dǎo)葉閥葉片開度趨勢(shì)記錄，發(fā)現(xiàn)在斷裂前的一段時(shí)間，IGV導(dǎo)葉閥開度僅為2.5°左右，導(dǎo)葉片開度過小，使導(dǎo)葉片受力增大；同時(shí)，導(dǎo)葉片開度過小，進(jìn)氣量小于正常開度下的氣量，主風(fēng)機(jī)的功率按正常工況設(shè)定的情況下，會(huì)使導(dǎo)葉片后形成負(fù)壓，進(jìn)一步惡化導(dǎo)葉片受力狀況。

綜上所述，該斷裂導(dǎo)葉片斷口屬于脆性斷口，脆性斷裂的發(fā)生，往往都是應(yīng)力集中處所受的應(yīng)力超過了材料的許用應(yīng)力而導(dǎo)致的。導(dǎo)葉閥在正常開度時(shí)，作用于導(dǎo)葉片上的應(yīng)力較低，在導(dǎo)葉片表面腐蝕小坑根部所受的集中應(yīng)力相對(duì)于葉片內(nèi)部夾雜處的集中應(yīng)力來說是較低的。造成導(dǎo)葉片斷裂的主要應(yīng)力是來自其本身在鍛造成型、熱處理后形成的內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)內(nèi)部存在較大尺寸的夾雜，導(dǎo)致夾雜處形成應(yīng)力集中。結(jié)合導(dǎo)葉片所處的主風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況，判斷造成導(dǎo)葉片斷裂的主要原因有兩個(gè)方面：①導(dǎo)葉片開度遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求，使導(dǎo)葉片受到的外作用力超過正常開度下所受的力；②導(dǎo)葉片內(nèi)部存在的氣孔、縮松、夾雜等缺陷，使導(dǎo)葉片的材料力學(xué)性能減弱。在這兩點(diǎn)原因的共同影響下，裂紋產(chǎn)生，導(dǎo)葉片發(fā)生斷裂[14-20]。

5 結(jié)論

通過對(duì)硫磺回收單元主風(fēng)機(jī)入口IGV導(dǎo)葉閥原理、工作狀態(tài)下的受力分析，采用不同方式對(duì)導(dǎo)葉片的斷口狀況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室觀察分析，表明導(dǎo)葉片內(nèi)部缺陷和工況條件下的受力增大是造成導(dǎo)葉片斷裂的根本原因。下一步，將對(duì)裝置其他主風(fēng)機(jī)入口IGV導(dǎo)葉片進(jìn)行無損探傷檢測(cè)，對(duì)操作工藝進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，嚴(yán)格控制風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉閥葉片開度在20°～30°；對(duì)新采購的IGV導(dǎo)葉片質(zhì)量嚴(yán)格把關(guān)，采用抽查方式增加滲透或射線等無損探傷方式，以檢查鑄件內(nèi)部缺陷，保證備件導(dǎo)葉片質(zhì)量合格。