離心式壓縮機葉輪裂紋分析及修復(fù)措施

1、離心式壓縮機葉輪裂紋分析及修復(fù)措施劉中原樊建成/寶鋼股份公司寶鋼分公司摘要：針對某大型空壓機葉輪根部產(chǎn)生裂紋問題，通過有限元方法（fem）對葉輪內(nèi)部應(yīng)力 分布進行了數(shù)值計算，采用電鏡扌i描和能譜分析方法對葉輪裂紋失效機理進行了實驗分析， 發(fā)現(xiàn)葉輪裂紋為典型的應(yīng)力腐蝕沿品開裂，并對該葉輪的修復(fù)技術(shù)進行了研究探討。關(guān)鍵詞：離心式壓縮機；葉輪；有限元分析；應(yīng)力腐蝕；激光熔覆中圖分類號：tg174文獻標識碼：b文章編號：1006-8155 （2007） 05-0034-06analysis on impeller crack of centrifugal compressor and repairin

2、g measuresabstract: aiming at impeller cracks of one large compressor, the paper gives the numerical calculation for internal stress of impeller by fem. the test analysis on invalid mechanism of impeller crack is carried out by scanning electromicroscope and energy spectrum analysis method. it is fo

3、und that impeller crack is the typical stress-erosion cracking. so the paper gives the investigation and discussion on repairing tech no logy of impelle r.key words: centrifugal compressor; impeller; fem; stress-erosion; laser-cladding0引言寶鋼某大型空壓機為徳馬克公司制造的大型組合齒輪式離心壓縮機。其一級葉輪的轉(zhuǎn)速 為5190r/min,流量172500nm7h

4、,進口壓力為一個大氣壓，出口壓力0. 548mpa。軸功率 11938kw,電機功率12680kwo 口投用至今己穩(wěn)定運行了 16年。在該空壓機的一次年修中，經(jīng)著色探傷發(fā)現(xiàn)該空壓機一級葉倫有5個葉片的前端根部附 近進口內(nèi)緣存在著長度不等的裂紋（見圖1）,裂紋長度約530mm,裂紋距葉根距離10 30mm。1葉輪裂紋失效的有限元分析1.1有限元建模和計算方法根據(jù)葉輪葉片局部尺寸實際測繪結(jié)果并參考現(xiàn)場照片，利用solidworks軟件建立一級 葉輪的兒何模型。葉輪材料為g-x5crnil3 4 （din標準）,材料性能數(shù)據(jù)見表1。表1 g-x5crni13 4出廠檢驗材料性能e/cpap/( kg

5、/m')<7/,/mpa62/mpa2100. 37. 85 x 103998929釆用ansys/workbench軟件將該葉輪劃分為十節(jié)點四而體單元進行分析、計算，有限元 網(wǎng)格模型如圖2所示。在加載時主耍考慮葉輪受的高速旋轉(zhuǎn)時的離心力影響，計算模型中約 束葉輪后端中心圓柱面的位移。圖1葉片裂紋位置圖2葉輪有限元網(wǎng)格1.2有限元計算結(jié)果及應(yīng)力分析根據(jù)有限元計算結(jié)果可知：葉輪屮的應(yīng)力最大值為999mpa,位于前蓋出口端的外表而。 另一個應(yīng)力較大的部位在葉輪進口端靠近內(nèi)緣根部的位置（接近本次實際裂紋部位），應(yīng)力 值為806mpa。葉輪的第一主應(yīng)力分布如圖3和圖4所示。從計算結(jié)果看出

6、，葉輪的最大應(yīng)力位于前蓋出口端外衣面（圖3）,其數(shù)值己超岀材料 的極限強度?？紤]到此應(yīng)力主要是由于詢蓋的扭轉(zhuǎn)變形引起的，而扭轉(zhuǎn)變形值與前蓋的厚度 以及葉型的兒何尺寸有關(guān)，該處計算應(yīng)力較人的原因可能與未能精確測出葉片illi而的真實尺 寸所引起的幾何尺寸差異有關(guān)。另外，由于該處在氣流流道以外，不受高速氣流直接沖刷， 即使其計算應(yīng)力較大，但危險性較小。進口端放人 應(yīng)力部位z最人丿電力部位laxins principal stress ipa999.172877.382稱 755.593 633. 8031512.013 390. 223 2ss. 433 146. 643 24. 854圖3葉輪正

7、面第一主應(yīng)力圖4氣流進口第一主應(yīng)力從圖4看出，另一個應(yīng)力較人的部位在葉輪進 口端靠近內(nèi)緣根部的位置（接近本次實際裂紋部 位），為葉輪最大應(yīng)力所在位置。但同樣由于測量的 尺寸不夠精確，其計算應(yīng)力值與真實應(yīng)力可能存在 一定差別。另外，對該類離心式壓縮機的葉輪而言， 通常其離心載荷產(chǎn)生的應(yīng)力與氣體載荷產(chǎn)生的應(yīng)力 應(yīng)相互抵消一部分，但由于沒有氣體流動分布的數(shù) 據(jù)，在冇限元計算中無法計入氣體載荷的影響，使 得計算的應(yīng)力偏大。還需指出的是葉輪有限元方法 計算的最大應(yīng)力分布在局部很小的一個區(qū)域內(nèi)，在 其周圍的應(yīng)力衰減很快（見圖5）,因此從平均應(yīng)力 的概念來看，該處實際應(yīng)力情況和有限元計算結(jié)果 給出的單點應(yīng)力

8、（處于很小的區(qū)域）在數(shù)值上冇一 定的差異。2葉輪開裂的失效機理2. 1宏觀分析圖5葉片進口根部沿流道方向應(yīng)力分布（a）試樣（b）試樣二由圖1看出，5個葉片的開裂位置和形貌較為接近，由此判斷其開裂性質(zhì)應(yīng)是相同的。 從中選取兩片開裂葉片，切取含有裂紋的試樣做解剖分析，如圖6所示，其中圖6a試樣一 已沿裂紋完全斷開，圖6b試樣二所示為裂紋從進氣邊處起始，向排氣邊方向擴展。將圖6a 試樣一從裂紋處分開并觀察其斷口宏觀形貌可以看到：其斷口較粗糙呈黑色，腐蝕氧化的特 征非常明顯（見圖7）。圖6裂紋試樣圖8試樣一斷口的局部放大像（二次電子像）圖io試樣-側(cè)面放大像2500 -2000f !i15001000

9、500-0i 0i:p1 i s!in- v 碇 zncoi nt計敢車05圖9試樣一斷口的x射線能譜分析曲線10峯"鯊“v)圖7 試樣裂紋斷口宏觀形貌2.2掃描電鏡和能譜分析將試樣一裂紋斷口置入掃描電鏡進行 局部放大觀察可以看到，在斷口上覆蓋著一 層腐蝕氧化產(chǎn)物并己出現(xiàn)龜裂，說明該氧化 產(chǎn)物較厚，葉片開裂時間已較長，如圖8所示。經(jīng)過對斷口腐蝕氧化產(chǎn)物進行x射線能譜分析，不僅證實斷口腐蝕氧化明顯，而且說明 斷口的腐蝕以硫離子的腐蝕為主，能譜分析illi線如圖9所示。期外，對試樣一的側(cè)面進行掃描電鏡觀察，可以看到進氣邊處冇較多凹坑，如圖10所 示。対其進行x射線能譜分析，結(jié)果與圖9相近

10、，這說明葉片表面也受到了腐蝕，而口這種 腐蝕以硫離子的腐蝕為主。而這種凹坑的形成則是高速氣流的長期沖刷和空氣屮的腐蝕性介 質(zhì)元素共同作用的結(jié)果。斷口試樣經(jīng)丙酮清洗后再次置入掃描電鏡觀察，如圖11所示，由于覆蓋在斷口上的腐 蝕產(chǎn)物被清除，斷i i形貌變得較為清晰。可以看出該斷口不同部位的粗糙程度存在較明顯的 差異，大致可分為兩個區(qū)域，分別用字母a、b標示，其中b區(qū)較a區(qū)更為粗糙。圖12所示 為試樣一進氣邊附近的斷口放大像，呈較典型的冰糖塊狀沿晶斷口形貌特征。將圖11中 的a區(qū)和b區(qū)分別放人也顯示為典型的沿晶斷口，只是b區(qū)晶粒尺寸明顯人于a區(qū)晶粒尺寸, 造成兩個區(qū)域斷u粗糙程度明顯不同。清洗后的斷

11、u形貌肯定了清洗前斷m的觀察結(jié)果。對試樣二做掃描電鏡分析和x射線能譜分析，其結(jié)果與試樣一的上述分析結(jié)果相同。圖11淸洗后試樣一斷口的二次電子像圖12試樣-進氣邊斷口的放大像2.3金相分析平行于含裂紋的試樣二的葉片表面制備金相磨而。金相觀察結(jié)果如圖13所示，大箭頭 所示為肉眼所見裂紋，呈彎曲狀且分出許多小裂紋；小箭頭所示為該大裂紋兩側(cè)分出的小裂 紋。經(jīng)対圖13中肉眼所見裂紋局部放大，nj以看出該裂紋兩側(cè)的小裂紋是沿晶裂紋。顯然 這些沿晶小裂紋農(nóng)明肉眼可見裂紋也是沿晶擴展的，只是由于后者較寬，其沿晶開裂特點不 及小裂紋清晰。圖13肉眼所見裂紋在金相燒面的形貌50x圖14葉片金相組織為板條馬氏體和少

12、量鐵素體將試樣二經(jīng)化學(xué)試劑腐蝕顯示葉片的金相組織，如圖14所示，基本上為板條馬氏體并 含有少量鐵索體，屬正常組織。同時圖14再次顯示裂紋是沿晶擴展的。2.4葉片開裂失效原因綜合分析葉片宏觀形貌表明材料表面腐蝕程度較輕，無全面腐蝕的特征，但裂紋較深，裂紋的走 向基本與主應(yīng)力方向垂百，斷口宏觀形貌有腐蝕色，能觀察到放射狀條紋；掃描電鏡分析結(jié) 果說明葉片發(fā)生了沿晶開裂，這種開裂與腐蝕有關(guān)，而且以與硫元素有關(guān)的腐蝕為主；用金 相顯微鏡觀察，裂紋特征為分叉樹枝狀，據(jù)此，可以確定葉片開裂應(yīng)為應(yīng)力腐蝕開裂。即葉 片在應(yīng)力及腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用下，出現(xiàn)低于材料強度的脆性開裂。葉片開裂部位在進氣邊根部附近，rh于

13、進氣邊處存在一定的應(yīng)力集中，其根部是葉片工 作時受力較人的位置，因此導(dǎo)致葉片開裂的應(yīng)力應(yīng)為以離心力為主的工作應(yīng)力。而導(dǎo)致葉片開裂的腐蝕介質(zhì)應(yīng)來自空壓機的工作環(huán)境，即鋼鐵企業(yè)冶煉區(qū)域的工業(yè)氣氛，其中含有二氧 化硫氣體。因此，引起葉片腐蝕的介質(zhì)應(yīng)以二氧化硫為主。時間 激光束過程材料圖15激光熔覆技術(shù)原理冇資料指出工業(yè)大氣會引起馬氏體不銹鋼 沿晶應(yīng)力腐蝕開裂。失效葉輪材料的化學(xué)成分與 馬氏體不銹鋼較為接近，其金相組織基木上為馬 氏體，因此工業(yè)大氣同樣可以引起葉片發(fā)生沿晶 應(yīng)力腐蝕開裂it。3葉輪修復(fù)技術(shù)研究和實施3.1激光熔敷技術(shù)介紹由于該葉輪裂紋是沿晶腐蝕開裂并呈分叉 樹枝狀，因此在裂紋延伸的頭部

14、打止裂孔不能完 整徹底地解決問題；如果采用普通的補焊處理則 極有可能因該方法的熱影響區(qū)過大而大幅度降 低葉輪的材料強度并導(dǎo)致基體熱變形。最終經(jīng)反 復(fù)研究討論決處釆用激光熔敷技術(shù)對葉輪進行 修復(fù)。激光熔敷技術(shù)是利用人功率激光束聚集能 量較高的特點，瞬間將被加工件表1何微熔，微熔層很薄，同時使零件表面預(yù)置合金粉或與激 光束同步口動送至激光熔融點的合金粉完全熔化，獲得與基體冶金結(jié)合的致密敷層。其原理 如圖15所示。該技術(shù)具有如下性能特點：（1）激光熔敷層與葉輪基體為冶金結(jié)介，結(jié)介強度不低于原基體材料的90%；（2）基體材料在激光加工過程中僅表面微熔，微熔層為0. 050. 1mm,由于熔化時間矩、

15、微熔層薄，使該工藝的熱影響區(qū)很小，激光加工過程中基體溫升不超過80°c,激光加工后 基本無熱變形；（3）激光熔敷技術(shù)可控性好，自動化程度高；（4）熔敷層與基體均無粗人的鑄造組織，熔敷層及其界而組織致密，品體細小，無孔 洞、夾渣、裂紋等缺陷：（5）激光熔敷層組織是由底層、中間層以及面層組成的各具特點的梯度功能材料，底層具有與基體浸潤性好、結(jié)合強度高等特點；中間層具有一定強度和硬度、抗裂性好等特點; 而層具有抗沖刷、耐磨損和耐腐蝕籌性能，使修復(fù)厲的備件在安全性和使用性能上更加有保圖16葉輪修復(fù)后的形貌障。3.2葉輪修復(fù)實施激光熔敷技術(shù)實施前先將葉片裂紋部分徹底 淸除并切割岀45°

16、; v形坡口，便于合金粉料附著 并與基體結(jié)合。每條裂紋處切割一個坡口，共有5 個坡口。最人的v型坡口為60imn （斜邊）x60mm（斜邊）x45mm （坡口開口） x 15mm （坡口厚度, 即該處葉片厚度），最小的坡口 20mm x 20mm x 15mm x12mm0進行著色探傷以確保裂紋清除干凈;激光加工 時從v形坡口根部開始逐層熔敷，先以與某體浸 潤性好的材料進行底層的熔敷，厚度0.50 0. 80mm,然后改用中間層材料熔敷大部分缺口， 直至接近填滿坡口，最后使用耐腐蝕、耐沖刷的而層材料熔敷，厚度0,5mm,并留出1mm的 加工余量。然斤根據(jù)葉輪型線對激光熔敷修復(fù)位置進行修磨，邊修

17、磨邊探傷，直至修復(fù)部位 的型線與葉輪型線完全一致。最后再次探傷，確保修復(fù)的質(zhì)量。從切割坡口至修復(fù)完成，一 共用時7天，其中熔敷授大的坡口用時兩天。原徳國材料葉輪對應(yīng)的中國牌號為zg06crl3ni4mo（t程結(jié)構(gòu)川屮、高強度鑄造不銹鋼）, 根據(jù)其材料特點在激光熔敷修復(fù)的合金粉中適當加入一定量的鉆基成分，可以提高葉輪的抗 熱疲勞特性。試驗表明添加適量鉆基成分的屮間層在激光加工完成后的極限強度可達 looompa左右，完全滿足葉輪工作負載的要求。修復(fù)后經(jīng)超聲波探傷和著色探傷未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷和表面裂紋。經(jīng)対專門制作的試樣分析 檢測激光熔敷層與基體的結(jié)合強度己達到要求，根據(jù)前面的有限元分析結(jié)果可知，該葉輪町 以繼續(xù)使用。圖16所示為葉輪修復(fù)厲的情況。4結(jié)論（1）通過試樣斷口的x射線能譜分析和掃描電鏡等分析結(jié)果，結(jié)合壓縮機的運行環(huán)境 和