壽命預測技術幫壓縮機葉輪“抗疲勞”

　　
——高端壓縮機組高效可靠及智能化基礎研究成果介紹

　　疲勞或腐蝕疲勞是工業生產設備經常會出現的一種失效形式，這一現象在石化行業中更為突出。那么，如何避免離心壓縮機葉輪的腐蝕疲勞失效呢？近日合肥通用機械研究院依托“973”課題極端條件下壓縮機關鍵部件劣化機理及延壽關鍵技術，對石化行業離心壓縮機關鍵部件——葉輪的腐蝕疲勞問題進行了深入研究，闡明了腐蝕疲勞失效機理、發生和發展規律。

　　疲勞是材料或構件在循環載荷作用下突然發生斷裂的一種現象。疲勞破壞的例子在日常生活中屢見不鮮，如自行車在行駛時前叉突然斷裂，鐵鎬在刨地時從中一分為二，鋼絲在對折時掰斷等。人們在日常生活中有這樣的經驗，如果選擇在鋼絲生銹(腐蝕)的位置對折，鋼絲更容易被掰斷，可見腐蝕損傷對疲勞破壞會起到促進作用。

　　石化行業這種情況同樣會發生。合肥通用機械研究院通過調研發現，石化行業離心壓縮機的很多失效事故與腐蝕疲勞密切有關，如石化企業空壓機葉輪的斷裂、催化裝置富氣壓縮機葉輪的開裂等。在當前石化企業生產中，葉輪的腐蝕疲勞問題已經成為制約離心壓縮機組長周期安全運行的主要失效模式之一。

　　為什么離心壓縮機葉輪容易發生腐蝕疲勞呢？合肥通用機械研究院極端條件下壓縮機關鍵部件劣化機理及延壽關鍵技術課題組解釋說,因為葉輪在高速旋轉過程中，除承受變轉速離心力、氣流擾動力等循環載荷作用外，還會與具有腐蝕性的工藝介質直接接觸，循環載荷和腐蝕的聯合作用共同促成了葉輪腐蝕疲勞失效。

　　課題重點研究了葉輪在不同溫度空氣、水霧、鹽霧和硫化氫等介質環境下的疲勞行為。以葉輪材料FV520B鋼在鹽霧環境下的疲勞為例，其破壞過程由點蝕坑形成長大、裂紋從點蝕坑處啟裂擴展直至斷裂等階段組成。在腐蝕疲勞過程初期，點蝕坑容易在材料表面微觀缺陷位置或疲勞損傷導致的電化學特性不均勻位置產生并逐漸長大。當點蝕坑長大到裂紋萌生的臨界尺寸時，該位置就會出現裂紋，此后裂紋逐漸擴展，直至最后斷裂。點蝕坑形成與長大、裂紋萌生與擴展等過程所需要的時間即為腐蝕疲勞壽命，它取決于服役溫度、應力水平、化學腐蝕等因素的共同作用。

　　課題組在闡明疲勞失效機理、發生和發展規律基礎上，通過大量的理論分析和試驗測試，并綜合考慮應力場、溫度場和化學場的共同作用，研究建立了壓縮機葉輪的腐蝕疲勞壽命預測方法。目前，該方法已在富氣壓縮機、循環氫壓縮機、空壓機葉輪的失效事故溯源中得到應用，如針對某石化企業烯烴分部空壓機，應用腐蝕疲勞研究成果，分析了葉輪/葉片失效斷裂原因，找到了失效關鍵影響因素，提出了預防點蝕形成、延長疲勞壽命的在役維護建議，為避免同類事故反復發生提供了科學依據。

　　據悉，該研究成果還在壓縮機新產品設計中得到了應用，如針對含鹽污水處理用機械式蒸汽再壓縮系統，在壓縮機設計制造早期，充分考慮服役過程中可能存在的高濃度含鹽、水蒸氣環境，通過葉輪腐蝕疲勞壽命分析和結構設計改進，提高了壓縮機的壽命可靠性，為今后長周期安全服役打下了良好基礎。今后，該成果還將在壓縮機在役再制造中進行推廣，通過葉輪損傷狀況評估和剩余壽命分析，在確保安全的前提下，合理延長壓縮機的使用壽命，從而達到延壽的目的。