軸流壓縮機葉片斷裂故障分析及應(yīng)對措施

史堯林,王建軍

(1.中國石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江 寧波 315207;2.中國石油化工股份有限公司煉油事業(yè)部，北京 100728)

上世紀90年代以后，催化裂化裝置軸流壓縮機逐漸實現(xiàn)國產(chǎn)化。國產(chǎn)機組運行20年以來，總體平穩(wěn)，故障較少。2010年以后，隨著大型催化裂化裝置的投產(chǎn)，AV80、AV90等大型軸流壓縮機也逐漸國產(chǎn)。某集團公司購買了4臺AV80、3臺AV90系列機組，總體運行較好。

2020年新冠疫情爆發(fā)，國內(nèi)、國際成品油及相關(guān)衍生品需求不振，某集團公司大多煉油企業(yè)降負荷生產(chǎn)。催化裂化裝置作為汽油生產(chǎn)大戶，也大幅降量，部分裝置負荷降至70%左右。

2020年6～8月，某集團公司催化裂化裝置發(fā)生3起軸流壓縮機葉片斷裂事故。從斷口形貌看，3臺機組均有明顯的疲勞輝紋，判斷為疲勞斷裂。

斷口形貌如圖1(a)～圖1(c)所示。

圖1 3臺機組葉片斷口形貌

3臺機組葉片斷裂情況如表1所示。

表1 3臺軸流壓縮機組葉片斷裂情況

初步分析認為這3起葉片斷裂事故均為葉片存在微裂紋、長期運行導致疲勞斷裂所致。因此，某集團公司總部馬上通知，要求在裝置停工檢修時，拆除軸流壓縮機葉片進行無損檢測。2020年9月～2021年3月，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)3臺機組葉片存在微裂紋。其中AV 80、AV 90機組微裂紋較多，AV 50機組未發(fā)現(xiàn)微裂紋。對缺陷葉片進行更換后，機組至今運行平穩(wěn)。軸流壓縮機組葉片檢查情況如表2所示。

表2 軸流壓縮機組葉片檢查情況

此外，對AV80、AV90系列機組進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)還有2臺葉片未進行檢查，其中1臺更換過部分葉片，另1臺沒有更換。這2臺機組需要加強監(jiān)控運行，如表3所示。

表3 近期運行需要重點關(guān)注的軸流壓縮機組

1 葉片斷裂情況

1.1 歷史上軸流壓縮機葉片斷裂情況分析【1】

1992～2002年，我國石化企業(yè)催化裂化裝置軸流壓縮機陸續(xù)發(fā)生了10起一級動葉片斷裂事故。這幾起事故給各企業(yè)的“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”生產(chǎn)造成了嚴重的影響，導致?lián)p失8 370多萬元。集團公司組織有關(guān)院校、設(shè)計單位及企業(yè)專家成立了課題研究小組，針對葉片斷裂原因進行了綜合分析研究。

分析表明:葉片的斷裂模式為疲勞斷裂，裂紋主要是由于拉應(yīng)力產(chǎn)生的。疲勞裂紋斷裂形貌可分為拉-扭疲勞和彎曲疲勞2種類型，多萌生于腐蝕缺陷處。分析原因主要有2點:一是軸流主風機第一級動葉片薄，葉型設(shè)計安全裕度小，對表面腐蝕缺陷敏感，抗疲勞性能較差，承力不足，特別是對開停工工況適應(yīng)度不足;二是葉片自然頻率與氣流激振力頻率接近，頻率避開率不足，易誘發(fā)共振，加速葉片疲勞失效。

針對該系列故障，當時課題研究小組提出改進葉型，加強機組運行監(jiān)控，提高機組附屬儀表準確性，加強主風機入口過濾器維護、防止雜質(zhì)進入，加強啟、停機管理，加強檢修管理等措施，有效抑制了葉片斷裂事故。之后約20年時間，軸流壓縮機運行穩(wěn)定，未發(fā)生過葉片斷裂事故，機組整體運行可靠性較高，直至2020年再次發(fā)生。因此，這3起葉片斷裂事故，值得深入分析。

1.2 SH公司2號催化AV90-13機組

2020年6月19日16:34，SH公司2號催化裝置主風機(型號為AV90-13)開機過程中，風機振動高高報警，機組聯(lián)鎖停機。解體后發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子第11級1片動葉葉根部位斷裂，斷裂葉片引起第11級及其后12、13級多片動、靜葉片受損。更換第10、11、12、13級動葉片及10、11級靜葉片。其余葉片經(jīng)磁粉(MT)檢測發(fā)現(xiàn)，1、6、7、8、9級動葉片有68片在葉根榫槽上存在裂紋缺陷，也一并更換，共計284片。

該機組2012年出廠，相關(guān)參數(shù)見表4。2016年8月，機組轉(zhuǎn)子返廠維修，更換氣封片，進行轉(zhuǎn)子高速動平衡和葉片著色檢查，未見缺陷。

表4 SH公司2號催化AV90-13機組參數(shù)

斷裂葉片的宏觀形貌見圖2。由圖2可見，斷口呈貝殼狀紋路，具有較典型的疲勞斷口宏觀特征，起裂部位位于進氣側(cè)葉根槽上，即榫頭第一和第二齒的過渡處，裂紋與榫齒面約呈30°角擴展。 該機組運行過程中，靜葉最小角度為46°、最大角度為69°。一般情況下，靜葉角度在62°～67°之間，低負荷情況時，靜葉角度在46°～48°之間，主風機安全運行時的靜葉角度為不小于22.2°。2018～2020年機組靜葉角度開度如圖3所示。

圖2 SH公司AV90軸流壓縮機第11級葉片斷裂形貌

圖3 2018～2020年機組運行期間靜葉角度

1.3 YS公司3號催化AV50-12機組

2020年6月22日3:43，YS公司3號催化主風機(型號為AV50-12)支撐瓦振動值突然升高，隨后回落至高位運行。安排機組停機并解體檢查，發(fā)現(xiàn)第2級1片動葉片斷裂，后續(xù)動、靜葉片不同程度受損，其中2、3級動葉損壞嚴重。從斷口形貌看，葉片為疲勞斷裂。轉(zhuǎn)子返廠維修，同時，拆下所有葉片重新進行無損檢測，并對受損葉片進行更換，共約792片。

該機組2016年5月裝置停工大檢修期間，更換了全部轉(zhuǎn)子葉片。2020年大修時返廠維修，主要檢查轉(zhuǎn)子跳動、葉片滲透檢測以及高速動平衡。機組檢修后于2020年5月11日開機，轉(zhuǎn)速維持在6 500 r/min，期間5月11～13日、5月15～16日靜葉維持在最小角度運行，裝置開工后導葉全開。5月20日因主風管線泄漏故障，機組降至最低負荷運行，至5月24日停機。6月3～20日，機組轉(zhuǎn)速5 000 r/min運行20 h，其他時間維持在6 300 r/min運行，期間靜葉在最小角度運行。裝置進入開工階段后，機組負荷逐步提升至正常，6月22日葉片斷裂。機組相關(guān)參數(shù)如表5所示。

表5 YS公司3號催化AV50-12主風機參數(shù)

機組在低負荷運行期間，放空閥全開，出口逆流閥關(guān)閉，出口電動閥關(guān)閉。經(jīng)查看控制系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，低負荷運行期間，機組入口喉部壓差為1.33 k Pa。因入口流量為計算值，在系統(tǒng)內(nèi)無趨勢可供查閱，因此依據(jù)喉部壓差計算此時入口流量(標準狀態(tài))為450 m3/min左右。查詢機組性能曲線顯示，其設(shè)計最小年平均流量為452～465 m3/min，說明機組較長時間處于最小流量工況以下運行。

1.4 MM公司4號催化AV80-13機組

2020年8月18日19:04，MM公司4號催化裝置主風機(型號為AV80-13)4個測振點值突然上升(最高138μm，二取二動作，未達到聯(lián)鎖停機條件)，隨后振動下降，當晚手動停機。機組解體發(fā)現(xiàn)，主風機第10級有2片動葉片斷裂，其中1片動葉本體過渡弧處斷裂，另有1片動葉從根部斷裂，后11～13級動、靜葉片不同程度變形受損。從斷口形貌看，葉片為疲勞斷裂。轉(zhuǎn)子返廠維修，更換10～13級動葉及9～13級靜葉。其他1～9級葉片全部拆除進行磁粉檢測，發(fā)現(xiàn)22片動葉有微裂紋，靜葉片未發(fā)現(xiàn)缺陷。本次維修總計更換葉片615片(全部動葉和9～13級靜葉)，工期22 d。

該機組2012年投用，2020年7月裝置大修，用水清洗風機轉(zhuǎn)子動、靜葉片積灰，對動葉片進行測頻、電感陣列掃描，并對所有動、靜葉片進行滲透檢測，沒有發(fā)現(xiàn)異常。8月9日開機，8月18日葉片斷裂。

該斷裂葉片是從葉根過渡弧處完全斷裂，斷口總體光滑齊整，可觀察到明顯的裂紋源區(qū)、疲勞擴展區(qū)和瞬斷區(qū)，有明顯的貝殼狀疲勞輝紋。裂紋源位于葉片背面(進氣側(cè))。斷口形貌如圖4所示。

圖4 斷裂葉片斷口部位宏觀形貌

該葉片葉根榫齒部位也有裂紋，還沒有完全斷裂，為了觀察斷口，人為打開了斷口。斷口形貌如圖5所示。

圖5 斷裂葉片榫齒部位宏觀裂紋打開后形貌

2 原因分析

從以上斷口形貌分析可知，3臺機組葉片斷裂的直接原因均可以確定為葉片根部進氣部位受力較大、產(chǎn)生高周疲勞所致。但對3臺機組制造型號、葉片材料力學性能、機組運行、維修等方面進一步分析，發(fā)現(xiàn)機組運行工況變化影響較大，葉片材質(zhì)、力學性能(包括沖擊、拉伸、硬度金相等)均符合要求，詳情如下。

2.1 葉片材質(zhì)化學成分分析

對SH公司1～6號葉片材質(zhì)進行化學成分分析，分析結(jié)果見表6。結(jié)果表明:化學成分滿足標準要求。

表6 SH公司2號催化AV90-13葉片材質(zhì)化學成分分析 w，%

2.2 沖擊試驗

對1號、3～6號葉片取樣進行沖擊試驗，試樣選小尺寸試樣，試驗結(jié)果見表7。結(jié)果表明:葉片的沖擊功滿足相關(guān)標準的要求。

表7 SH公司2號催化AV90-13葉片沖擊試驗

2.3 室溫拉伸試驗

選取2～6號葉片進行室溫拉伸試驗，試驗結(jié)果見表8。結(jié)果表明:葉片的拉伸性能指標均滿足相關(guān)標準的要求。

表8 SH公司2號催化AV90-13葉片室溫拉伸試驗

2.4 硬度測試

分別對1～6號葉片的金相試樣進行硬度測試，測試結(jié)果見表9。測試結(jié)果表明:測試部位的硬度基本正常。

表9 SH公司2號催化AV90-13葉片硬度測試結(jié)果 HV

2.5 金相分析

抽取葉片，取金相試樣的金相組織進行觀察，金相組織均為正常的回火索氏體，為2Cr13回火正常組織，如圖6所示。

圖6 斷裂葉片金相組織

2.6 葉片斷口分析

2.6.1 SH公司2號催化AV90-13機組

斷裂葉片裂紋區(qū)域共有3處。Ⅰ區(qū)域在主斷裂面上，與Ⅱ區(qū)域擴展匯集成一條線。Ⅲ區(qū)域擴展后形成一個獨立的斷裂面。斷裂面具有典型的宏觀疲勞開裂特征，如圖7(a)～圖7(b)所示。

圖7 SH公司AV90-13軸流壓縮機第11級葉片斷裂形貌(一)

觀察部位及微觀形貌見圖8(a)～圖8(d)?！?”部位為主裂紋源，在其外壁邊緣處有小裂紋[見圖8(b)黃色箭頭所指處]，“2”～“9”和“11”～“13”部位均為典型的疲勞斷裂擴展區(qū)，“13”部位低倍可見裂紋(Ⅲ區(qū)域)也位于葉根槽上。最終失穩(wěn)斷裂區(qū)域“10”部位為韌窩。分析“14”部位發(fā)現(xiàn)榫齒面上有較多的微小蝕坑，測得相對較大的蝕坑直徑約16.8μm。

圖8 SH公司AV90-13軸流壓縮機第11級葉片斷裂形貌(二)

經(jīng)斷口分析，初步總結(jié)如下:

1)6個動葉片上均有裂紋，裂紋萌生于葉片進氣側(cè)或/和排氣側(cè)的榫齒圓弧過渡處;

2)葉片的化學成分、拉伸性能均滿足JB/T 6398—2006標準中對2Cr13鍛件的要求;

3)葉片夾雜物級別≤2.5級;

4)裂紋以穿晶擴展為主，金相組織屬正常回火索氏體;

5)斷口顯示多疲勞源特征，在疲勞源處的榫齒面上發(fā)現(xiàn)有較多的腐蝕坑存在，裂紋擴展具有典型疲勞斷口特征。

2.6.2 MM公司4號催化AV80-13機組

該機組第10級1片動葉本體過渡弧處斷裂，裂紋起源于葉背過渡弧中間位置，即圖9中部位“1”裂紋源位置。當葉片因某些原因(如共振、激振、顫振)在該部位疊加過高應(yīng)力時，微裂紋就會在此處萌生。此處可觀察到明顯的以裂紋源為原點的放射紋，如圖9所示。

圖9 MM公司4號催化AV80-13機組裂紋源電鏡觀察

部位“2”、“3”為裂紋擴展區(qū)，這兩個部位斷口平坦，為解理斷裂，可觀察到疲勞輝紋和二次裂紋，顯示高周疲勞斷裂特征。部位“2”微觀形貌如圖10(a)～圖10(b)所示。

圖10 裂紋擴展區(qū)微觀形貌(部位“2”)

部位“4”、“5”為裂紋瞬斷區(qū)微觀形貌，可觀察到撕裂的韌窩特征。部位“5”微觀形貌如圖11(a)～圖11(b)所示。

圖11 裂紋瞬斷區(qū)微觀形貌(部位“5”)

2.7 氣流激振分析

軸流壓縮機轉(zhuǎn)子運行過程中，動葉片主要承受2種應(yīng)力，一是風機高速旋轉(zhuǎn)時葉片自身質(zhì)量產(chǎn)生的離心力(包括離心拉應(yīng)力和離心彎曲應(yīng)力)，二是氣流通過葉片產(chǎn)生的氣動彎曲應(yīng)力。

葉片在使用過程中是否會出現(xiàn)振動，主要取決于葉片的自振頻率和氣流的氣動頻率。葉片的自振頻率取決于葉片的材料特性、形狀和尺寸。軸流壓縮機葉片普遍有12級左右，由于形狀、尺寸不同，自振頻率均有不同。自振頻率有若干階次。壓縮機運行時，氣流對葉片表面周期性的壓強變化會激起葉片振動。氣流的氣動頻率則和機組轉(zhuǎn)速緊密相關(guān)。不同轉(zhuǎn)速下將會產(chǎn)生不同頻率的氣流激振。氣流激振頻率分多個階次，任何一個階次與葉片自振頻率接近時，都會產(chǎn)生共振，共振將很容易導致葉片斷裂失效。

葉片的振動特性可以從葉片頻率-轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線看出來(見圖12)。從圖12可以看出:某機組轉(zhuǎn)速為5 424 r/min時，激振頻率與葉片第2階頻率重疊，葉片容易因共振引發(fā)斷裂失效;當轉(zhuǎn)速提高至紅色豎直線位置時，則避開了葉片各階振動頻率，不會激起共振，葉片振動較小。機組設(shè)計時，要通過詳細計算，設(shè)定機組額定工作點。該工作點要與所有葉片自振頻率保持安全距離，防止共振。

圖12 葉片頻率-轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

YS公司3號催化AV50-12機組額定轉(zhuǎn)速6 800 r/min，在5 000 r/min及6 300 r/min運行期間，偏離額定轉(zhuǎn)速較多，很容易落入葉片自振頻率中。經(jīng)實際核算，5 000 r/min時各級葉片均存在氣流激振共振。

2.8 分析結(jié)論

1)3臺機組葉片斷裂的直接原因均為葉片根部進氣部位受力較大、產(chǎn)生高周疲勞斷裂所致。

2)YS公司AV50-12機組葉片斷裂主要原因是，機組啟動時未達到額定轉(zhuǎn)速，在5 000和6 300 r/min運行時間較長，這期間靜葉未釋放，一直在最小角度運行，機組入口流量也低于最小流量，機組葉片因氣流激振導致葉片共振，加速了疲勞，導致斷裂。

3)SH公司AV90-13、MM公司AV80-13機組葉片斷裂的主要原因是葉片應(yīng)力較大，經(jīng)長期運行后產(chǎn)生了微裂紋，2020年初裝置低負荷運行期間，葉片受力發(fā)生變化，導致裂紋擴展，產(chǎn)生疲勞斷裂。

4)AV80以上機組抗波動能力較小，需盡量保持平穩(wěn)運行。根據(jù)機組制造廠承諾，葉片均按永久壽命設(shè)計。但根據(jù)實際運行情況看，AV80及以上機組抗波動能力較弱，小型機組抗波動能力稍強。某石化公司AV50機組，2020年10月返廠拆葉片檢查，未發(fā)現(xiàn)缺陷，而AV80、AV90機組葉片檢查，均發(fā)現(xiàn)微裂紋缺陷。

3 應(yīng)對措施及效果

3.1 應(yīng)對措施

煉油企業(yè)設(shè)備管理應(yīng)開展設(shè)備全周期壽命管理，對任何一次設(shè)備事故或設(shè)備故障，均應(yīng)開展根原因分析，并制定完整的、有效的、針對性的措施，避免類似故障重復(fù)發(fā)生。針對2020年6～8月這幾起葉片斷裂事故，應(yīng)從以下幾個方面落實措施:

1)軸流壓縮機不可低負荷運行。如需調(diào)節(jié)運行負荷，應(yīng)按說明書要求，以靜葉角度調(diào)節(jié)為準，避免用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。因為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)會改變氣流激振頻率，當激振頻率落入葉片固有頻率時，會激發(fā)共振，將加速葉片疲勞斷裂。

2)大型軸流壓縮機葉片余量較小，最薄弱部位在葉根榫槽部位，要加強該部位的檢測。機組檢修前應(yīng)備足葉片。停機后拆開葉片，通過磁粉檢查，及時發(fā)現(xiàn)微裂紋，并更換所有存在微裂紋的葉片。實際情況證明，滲透檢測無法有效檢測葉片微裂紋。

3)做好軸流壓縮機運行維護管理。如對動、靜葉片，靜葉承缸，靜葉密封圈等進行定期檢查，并適當更換;根據(jù)機組運行工況，定期清灰，防止葉片腐蝕產(chǎn)生疲勞源等。

4)做好機組輔助設(shè)備管理。輔助設(shè)備如機組入口空氣過濾器、機組潤滑油泵、冷油器、蓄能器、電儀類設(shè)備等。

5)機組操作水平、技術(shù)認識需要提升。機組是煉油企業(yè)最為關(guān)鍵又最復(fù)雜的設(shè)備，操作難度較大。雖然已開展特護管理，但仍然是設(shè)備準確操作的薄弱部位。設(shè)備管理人員應(yīng)遵照設(shè)備設(shè)計說明、使用說明等技術(shù)文件，編寫操作規(guī)程，并組織培訓。設(shè)備屬地應(yīng)組織應(yīng)急演練，確保設(shè)備操作熟練、準確。

6)大型軸流機組制造水平需要提升。將這些案例結(jié)合起來看可以發(fā)現(xiàn)，大型機組制造質(zhì)量不均衡，特別是AV80、AV90轉(zhuǎn)子葉片根部應(yīng)力集中問題的處理還有待改進。這方面工作需要設(shè)備制造企業(yè)共同努力完成。

3.2 實施效果

2020年8月以后，軸流壓縮機再未出現(xiàn)葉片斷裂事故。利用停工大修檢查，發(fā)現(xiàn)QL、JL、CL等公司機組葉片有較多裂紋，避免了機組葉片斷裂。由于之前準備充分，缺陷葉片及時更換，目前運行安全可靠。

同時篩查出HN、QDLH等2家公司大型軸流機組葉片還沒有全部檢查，目前已列計劃整改。整改措施一是加強監(jiān)控，保持平穩(wěn)運行;二是做好葉片儲備，待下次裝置停工大修檢查葉片時，對有缺陷葉片全部進行更換。目前這2臺機組運行正常。對其他AV80以下的機組，也要做好動、靜葉片檢測和儲備。軸流機組還要做好靜葉承缸、密封圈等備件的壽命管理。

由于措施得力，各公司設(shè)備管理落實到位，機組運行總體向好，2021年1～5月軸流壓縮機未發(fā)生設(shè)備故障，該集團公司全部機組故障次數(shù)也下降60%，效果較好。