离心压缩机叶片断裂分析

摘要：叶轮作为离心压缩机高速转子的核心部件，其稳定性直接影响整个压缩机组的正常运转，给机组带来安全隐患。本文通过宏观观察、化学成分分析、扫描电镜及受力分析等方法，对离心压缩机断裂叶片进行失效分析，结果表明疲劳断裂是本次叶片断裂的直接原因。
关键词：断裂分析；疲劳断裂；SEM分析
1引言
Xx空压机是我中心的关键机组，为提供工艺空气。该压缩机为xx厂xx 年生产的离心式压缩机，为x级等温压缩， 2011年6月，xx压缩机组在运行时突然振动增大而发生联锁停机，开缸后检查发现转子叶片有一处断裂。
叶轮是离心压缩机高速转子的核心部件，一般由叶片和轮盘构成，是主要的承力部件，其作用是把机械能转换为气体动能。叶轮的可靠性直接影响到整个压缩机组的正常运转，甚至影响到整个机组的安全。本文对xx离心压缩机断裂叶片进行进行失效分析，并给出了相关的改进措施。Xx压缩机详细参数见表1。
表1 TA6000空气压缩机有关性能参数

指标	设计值	指标	设计值
进气介质	空气	进气湿度	79%
进气压力	0.98Bar（A）	冷却水温	32℃
额定排气压力	0.70MPa(G)	轴功率	1118 KW
额定流量	12000NM3/Hr	驱动电机	1250 KW
进气温度	33.1℃	一级振动mil	1.5
二级入口温度	<55/60℃（报警值/联锁值）	二级振动mil	1.5
三级入口温度	<55/60℃（报警值/联锁值）	三级振动mil	1.5
电机电流	103	润滑油滤芯压差	<l.5kg
油温	40 ℃～ 58 ℃	正常油箱负压力	70～150mm水柱
进口虑网压差	<100mm水柱	振动传感器间隙电压	4.5～7.5V
振动正常	≦30um	供水温度	<32℃

2 叶片断裂分析
 2.1 宏观形貌的分析
首先对损伤叶轮进行宏观相貌观察，叶片排气侧外径297mm，进气侧外径约为166mm，如图1所示。箭头指示为叶片断裂处，可以看出断裂发生在进气侧靠近叶片外缘处。图2所示为叶片断裂部位的局部放大图像，从图中可见叶片断口顶部有轻微的塑性变形（上方箭头所指），相邻叶片外缘有轻度损伤（下面箭头所指），应为掉落叶片冲击造成，其余未见明显损伤和变形。
 
 
 
观察试样，进一步分析断裂情况。发现除了叶片断口顶部有一定的塑性变形以外，试样的其它部分均未见到有塑性变形，说明叶片基本属于脆性断裂。进一步观察可发现断口中部比较平坦，靠近进气部分变得粗糙起来，而靠近叶片顶部则高低不平。该压缩机叶轮材质是0Cr17Ni4Cu4Nb，为沉淀硬化类不锈钢，通常在固溶时效状态下使用。一般来说，对于塑性较好的材料，在断口形成过程中，受力较小、裂纹扩展速率较慢时，断口比较平坦；当受力较大、裂纹扩展速率较快时，断口比较粗糙；当受力超过抗拉强度发生瞬断时，断口更加粗糙，且伴有宏观的塑性变形。因此叶片的断裂应该首先产生于断口中部一带，向两边扩展，当扩展到进气边一侧，这时只剩下靠近叶顶部分与叶身相连，因剩余面积较小，在离心力的作用下发生瞬时断裂，产生塑性变形。
综上分析，可以推断出该叶片断裂的断口已形成并经历了一定的时间，结合叶片工作时受到的交变载荷情况，呈现了疲劳断裂失效特征^[1-3]。
2.2 化学成分的分析
对损伤叶片取样进行化学成分分析，分析结果如表2所示。结果表明失效叶片材料中元素除P、S、Si、Mn、Nb外其余元素均符合GB/T20878-2007的不锈钢化学成分含量的要求。但P和Si元素含量明显高于相对技术要求。结合不锈钢材料化学成分标准分析，表2表明该叶片中Si、P元素含量偏高，研究结果表明P、S是造成裂纹的凶手，而Si含量超过3%时，将显著降低的塑形和韧性。
表2 失效叶片的化学成分（质量%）

条件	C	S	P	Si	Ni	Cr	Nb	Mn
测量值	0.050	0.004	0.04	0.77	4.06	13.24	0.20	0.42
标准值	≤0.05	≤0.01	≤0.02	0.30-0.6	3.5-4.5	12.50-14.00	0.4-0.7	≤1.0

2.3 金相分析
在断裂处利用线切割的方法截取得到金相样品， 其检测结果如图3所示。从图中可见损伤区存在大量铁素体，呈现为带状、波纹（不均匀）相貌，另由图看出损伤区脱碳明显，各层界面不均，大约为0.2mm。这一金相分析与化学成分分析的结果，可以说明断裂处经过长期使用后表现为疲劳现象。
   
（a）                                             （b）
图3  叶片断口处的金相组织：（a）20SEM图像（b）100 SEM图像
2.4 力学性能分析
对断裂叶片切取试样进行冲击试验，试验结果得出该叶片材料的冲击功平均为10J，这一结果与0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢材料的冲击功的标准值90 J 差距明显。再对叶片进行其他力学性能测试如表3所示。由表3参数对比可知，力学性能无明显变化。但其冲击韧度明显较低，这与化学分析中韧性降低表现的裂纹萌生与扩展的能力降弱的现象一致。
表3 叶片力学性能

检测项目	叶片承受应力（MPa）	硬度	收缩率，%	延长率，&
测量值	383	175	12.5	30.5
参考值	360~415	160~200	>8	>25

2.5扫描电镜分析
将断口试样用有机溶剂清洗后放入扫描电镜（SEM）中观察，图4给出了断口中部放大倍率较低的二次电子像，图中有一条弧线如小白箭头所示，应为疲劳弧线或称贝纹线，这是裂纹扩展时因速率发生明显变化留下的痕迹，是疲劳断裂的典型特征，说明叶片断口属于疲劳断裂，断裂源位于弧线对应的圆心处，如图中大白箭头所指。断口上还可见到一些表面光滑的斑点如箭头所指。这些斑点(箭头所指)呈溅射状附着在断口表面，这些应属于砂轮切割时溅射到断口表面的火花（即小熔滴）凝固后形成，如图5所示。
通过上述叶片断口表面SEM的观察及分析可知， 断裂叶片裂纹呈显著的疲劳断裂特征。
 

3　疲劳断裂
研究表明在交变载荷作用下，金属结构中的一些较为薄弱的环节通常会在结构的表面出现裂纹。叶片在工作时受到交变应力的作用，这种应力与气动力和叶片的振动共同作用有关。且从叶片结构上分析， 一般叶片最大应力在进口叶片和前、后盘上，叶片外缘应力相对较小。它们在交变应力的作用下， 就会在此处萌生疲劳裂纹。当疲劳裂纹扩展到肉眼可见或导致掉块时，就会造成叶片失效事故。
该压缩机叶轮材质中因为化学成分中P、Si等元素的超标，显然已经影响到压缩机叶轮的韧性和塑性而出现表面裂纹，且压缩机在运行过程中，因振动产生动应力，再加上离心力等作用产生交变载荷，最终造成裂纹产生和扩展至掉落。
然而裂纹的萌生和扩展以及断裂也是符合一定条件的，可由以下公式来说明影响叶片寿命的因素：
其中——应力，L—原始裂纹长度；M ——总的循环次数， e——使用环境、 条件、 温度等影响因素，c——与材料、 工艺制造等有关常数。
在应力水平、 材料以及使用环境一定的情况下，原始裂纹的大小将会严重影响叶片疲劳寿命。而如果材料本身和制造过程中存在缺陷，往往会导致叶片在短期内失效。
4　结论与改进
    综上分析，xx离心式压缩机叶片断裂的原因显然与疲劳断裂发生的结果一致。而叶片材质P、Si等元素超标可能与制造中漏检、运行中监控措施不力等是原因有关。为了未来减少可类似事故发生，可考虑采取以下措施改进：

1. 加强叶轮原材料检验，除表面缺陷检验外，应用超声波或射线方法检查材料可

           能存在的内部缺陷；

1. 用疲劳强度理论和断裂失效理论对叶片进行可靠性分析，并以此计算得出叶片的最大原始表面裂纹尺寸和深埋裂纹尺寸；
2. 使用过程中，加强对压缩机的巡检，对机组异常振动应引起注意，振动超标时，应对叶片做动静平衡校验；
3. 大修时应对叶片产生的裂纹做全面检查，特别是在应力集中的地方和内部裂纹。

参考文献
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[2] 韩捷，张瑞林.旋转机械故障机理及诊断技术[M]. 北京：冶金工业出版社，2001.
[3]  王蕊， 马玥珺， 侯红娟. 轧辊失效原因分析及预防措施[ J] . 太原科技大学学报， 2006， 27( 9) : 85- 86.
[4 ] GB /T 13298- 1991， 金属显微组织检验方法[ S].
[5 ] GB /T 230. 1- 2004， 金属洛氏硬度试验第一部分: 试验方法[ S] .

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