液環(huán)壓縮機(jī)葉輪失效分析

班洪勝，劉新，劉光新

(河北滄州大化股份有限公司聚海分公司，河北 滄州 061000)

0 引言

離心式壓縮機(jī)應(yīng)用廣泛，在化工、制冷、航空等領(lǐng)域都有很重要的應(yīng)用。離心式壓縮機(jī)葉輪疲勞斷裂會(huì)造成很嚴(yán)重的事故，近年來(lái)受壓縮機(jī)故障導(dǎo)致工廠停車的事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重的甚至?xí)：θ嗣竦纳踩?。葉輪斷裂原因一方面是制造葉輪的材料有缺陷，另一方面是加工制造過(guò)程中會(huì)造成其結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的降低，壓縮機(jī)內(nèi)部流體是非定常運(yùn)動(dòng)的，進(jìn)而產(chǎn)生的氣體動(dòng)力載荷也是非定長(zhǎng)的，這樣產(chǎn)生的交變載荷長(zhǎng)期持續(xù)的作用于壓縮機(jī)葉輪會(huì)造成壓縮機(jī)葉輪發(fā)生斷裂[1]。截至目前，大多數(shù)文獻(xiàn)只是對(duì)葉輪的材料進(jìn)行分析改進(jìn)或?qū)θ~輪進(jìn)行建模從而對(duì)其進(jìn)行固有頻率的分析。而忽略了對(duì)葉輪進(jìn)行微觀的形貌分析，這就造成了很難發(fā)現(xiàn)葉輪斷面的缺陷等問(wèn)題。因此，在故障發(fā)生后要及時(shí)關(guān)注并分析葉輪的微觀形貌，并進(jìn)行分析以此來(lái)對(duì)葉輪故障有更深刻的認(rèn)識(shí)，為探索葉輪缺陷的案例及預(yù)防措施提供詳細(xì)的資料數(shù)據(jù)和解決方案。文章以在工廠中發(fā)生的事故實(shí)例為分析對(duì)象，對(duì)液環(huán)壓縮機(jī)葉輪失效進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和分析，從事故的發(fā)生、處理、分析和解決等方面詳盡介紹了液環(huán)壓縮機(jī)葉輪疲勞斷裂，并總結(jié)出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

1 液環(huán)壓縮機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 液環(huán)壓縮機(jī)的主要結(jié)構(gòu)

為了對(duì)壓縮機(jī)有更深刻的了解和分析，首先介紹壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)原理。液環(huán)壓縮機(jī)是容積式壓縮機(jī)，它是為正向位移型設(shè)備，其需要原動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)，一般使用電動(dòng)機(jī)。

以下為單級(jí)式壓縮機(jī)的主要部件：(1)外殼，內(nèi)部盤邊相對(duì)于軸的旋向具有雙偏心關(guān)系；(2)葉輪，靠軸承的支撐和軸的帶動(dòng)；(3)錐形結(jié)構(gòu)(錐形結(jié)構(gòu)和葉輪見(jiàn)圖1)；(4)軸承箱，有支撐腳便于設(shè)備的支撐和裝配。

圖1 錐形結(jié)構(gòu)與葉輪

1.2 工作原理

葉輪的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)工作液，工作液充滿部分殼體并形成一個(gè)橢圓型的旋轉(zhuǎn)液環(huán)，稱之為液環(huán)。通過(guò)離心的作用，工作液與機(jī)殼內(nèi)部的偏心表面相貼合，并在每半周的旋轉(zhuǎn)中使工作液朝向遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心的方向。由于葉輪上兩個(gè)連續(xù)的葉片的限制作用，液環(huán)的工作方式類似于液體活塞，氣體在第一個(gè)四分之一旋轉(zhuǎn)周期進(jìn)入壓縮機(jī)，并在第二個(gè)四分之一周期中被壓縮，葉輪的旋轉(zhuǎn)形成兩個(gè)同時(shí)且對(duì)稱的吸入/壓縮循環(huán)。錐形結(jié)構(gòu)是進(jìn)行氣體分配的主要結(jié)構(gòu)，其上有兩個(gè)吸氣和兩個(gè)排氣孔并且形狀不同，一對(duì)吸或排氣口的其中一個(gè)相連于吸氣法蘭另一個(gè)相連與吸氣壓力蓋上的排氣法蘭[2]。另有一個(gè)軸向的、在端蓋上的法蘭來(lái)提供密封液。

因?yàn)閮?nèi)部偏心率相對(duì)于葉輪的軸向旋轉(zhuǎn)是對(duì)稱的，液體和葉輪產(chǎn)生的壓縮氣體帶動(dòng)產(chǎn)生相對(duì)于徑向的壓力并傳遞給軸，此壓力在一般的情況下為零，通過(guò)180度的旋轉(zhuǎn)錐形結(jié)構(gòu)能夠使進(jìn)/出法蘭的位置互換。如圖2是液環(huán)壓縮機(jī)主要工作過(guò)程。

圖2 壓縮機(jī)工作過(guò)程

1.3 工作液

工作液是產(chǎn)生液環(huán)的載體，液環(huán)的作用如下：(1)對(duì)氣體進(jìn)行壓縮；(2)對(duì)無(wú)機(jī)械結(jié)構(gòu)接觸的氣體進(jìn)行密封；(3)帶走壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的熱量；采用不燃性密封液可確保壓縮機(jī)的安全；為了帶走壓縮產(chǎn)生的熱量和補(bǔ)償隨壓縮氣體流失的液體，密封液要持續(xù)的更新。密封液通過(guò)壓縮機(jī)的軸向進(jìn)氣法蘭流向排氣法蘭，密封液通過(guò)氣液分離器與氣體分開(kāi)，可以采用冷卻系統(tǒng)以保持重新進(jìn)入閉環(huán)壓縮機(jī)的密封液的溫度，密封液也可通過(guò)分離器的底部排除(開(kāi)環(huán)系統(tǒng))。

一般的做法是將部分由氣液分離器/冷卻器中來(lái)的液體重復(fù)循環(huán)，另一部分用新的液體。液體通過(guò)壓縮機(jī)的錐形結(jié)構(gòu)吸氣室進(jìn)入，其壓力不等于吸氣壓力，所以循環(huán)可通過(guò)分離器排/進(jìn)氣的壓力差得以延續(xù)。壓縮機(jī)的工作液要以適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)速率流動(dòng)。循環(huán)工作液的流動(dòng)速率體現(xiàn)壓縮機(jī)和閉環(huán)布局的特性，其增減改變吸/排氣壓力，設(shè)定流動(dòng)率很重要，流動(dòng)率的獲得需要遵照排氣壓力的大小。正確的流動(dòng)率在設(shè)計(jì)的時(shí)候就已經(jīng)選定，最佳的基本工作狀態(tài)為工作液進(jìn)入壓縮機(jī)時(shí)有適當(dāng)?shù)臏囟龋兄付ǖ牧鲃?dòng)速率，這需要一些輔助的設(shè)備，如加熱器、管道、閥門等。當(dāng)在閉環(huán)系統(tǒng)中時(shí)，有時(shí)分離器與密封液進(jìn)入法蘭的壓力差超過(guò)允許的循環(huán)液速率，所以必須安裝調(diào)整閥以控制流量的合理。圖3為液環(huán)壓縮機(jī)系統(tǒng)圖。

圖3 液環(huán)壓縮機(jī)系統(tǒng)圖

2 壓縮機(jī)葉片斷裂及處理

液環(huán)壓縮機(jī)與其他壓縮機(jī)不同，它是一種變?nèi)菪詨嚎s機(jī)，它將離心力通過(guò)葉輪上的葉片傳遞給液體，液體則像活塞一樣工作，從而達(dá)到傳送氣體的目的[3]。由此可見(jiàn)壓縮機(jī)中液環(huán)的重要性，葉輪故障對(duì)于壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)是非常嚴(yán)重的一種故障，常見(jiàn)的故障有壓縮機(jī)溫度過(guò)高，燒機(jī)封、壓縮機(jī)機(jī)封泄漏、壓縮機(jī)壓力達(dá)不到要求、排氣量不足、葉輪故障等。葉輪故障一直是眾多學(xué)者探究的故障之一，它們從材料、理論方面進(jìn)行多種方法的分析，給出許多有見(jiàn)解[4]。但對(duì)于葉輪故障的實(shí)例分析還較少，工廠中運(yùn)行的液環(huán)壓縮機(jī)實(shí)際葉輪故障分析有利于更好的印證理論分析，也能從實(shí)際角度探討解決方案，它對(duì)解決葉輪失效故障有著實(shí)際意義。通過(guò)本次對(duì)事故過(guò)程完整的解析，提供了葉輪斷裂的微觀形貌圖，得出了故障原因及預(yù)防性措施。

2.1 事件經(jīng)過(guò)

2021年12月7日20點(diǎn)54分，中控操作員發(fā)現(xiàn)液環(huán)壓縮機(jī)電流由16.8 A突然升至18.3 A并且一段時(shí)間后沒(méi)有回降，立即告知各專業(yè)現(xiàn)場(chǎng)排查。機(jī)械、電氣、儀表和工藝人員在現(xiàn)場(chǎng)排查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)21點(diǎn)16分電流突然升至25.4 A，同時(shí)設(shè)備振值達(dá)到滿量程10 mm/s,且現(xiàn)場(chǎng)噪音較大，機(jī)械工程師發(fā)出停機(jī)指令中控操作員立即點(diǎn)停壓縮機(jī)。圖4為壓縮機(jī)電流運(yùn)行趨勢(shì)實(shí)時(shí)圖，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為電流值，此圖為截取1.5 h內(nèi)的電流變化趨勢(shì)。

由壓縮機(jī)電流運(yùn)行趨勢(shì)實(shí)時(shí)圖可知：電流一直很平穩(wěn)發(fā)生的波動(dòng)很小并且在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，但突然在某一時(shí)刻電流突然變大，又平穩(wěn)運(yùn)行一段時(shí)間后電流又一次驟增，并且這次電流的增加量是第一次電流的增加量的若干倍。結(jié)合其他現(xiàn)象可判斷壓縮機(jī)出現(xiàn)較大的故障，所以及時(shí)停機(jī)檢查。

圖4 壓縮機(jī)電流運(yùn)行趨勢(shì)

2.2 事件處理

置換合格后，現(xiàn)場(chǎng)解體檢查壓縮機(jī)：發(fā)現(xiàn)葉輪一個(gè)葉片有2/3左右發(fā)生斷裂脫落，造成其余葉片外沿卷曲變形、錐體外表輕微磨損(圖5為脫落的葉片)。葉輪材質(zhì)為316 L，累計(jì)使用時(shí)間為35個(gè)月。壓縮機(jī)葉輪失效使用前7個(gè)月曾進(jìn)行過(guò)PT檢測(cè)，未見(jiàn)異常。此次事故并未造成人員傷亡，但對(duì)化工廠內(nèi)的效益和生產(chǎn)計(jì)劃造成了嚴(yán)重影響。為了進(jìn)一步分析葉輪損壞原因?qū)θ~片損壞原因進(jìn)行分析，對(duì)脫落的葉片進(jìn)行理化檢驗(yàn)分析。

圖5 脫落葉輪葉片

3 葉片斷裂分析

3.1 宏觀檢驗(yàn)

圖6為送檢葉輪宏觀形貌[5]，由圖可見(jiàn)葉輪整體斷為三段，根據(jù)大小可分為A、B、C三個(gè)部分。葉輪中心B區(qū)域整體較為平整，有明顯擠壓變形的痕跡，表面有大量劃傷，兩側(cè)斷口已磨損殆盡；A區(qū)域表面有少量劃傷，斷口擦傷較嚴(yán)重；C區(qū)域斷面整體保存較好，未見(jiàn)有明顯的塑性變形，未見(jiàn)有銹蝕現(xiàn)象。根據(jù)以上觀察現(xiàn)象，選擇A與C區(qū)域作為主要研究對(duì)象。

圖6 送檢葉輪

圖7為C區(qū)域宏觀形貌，由圖可見(jiàn)，斷面未見(jiàn)明顯的塑性變形，也未見(jiàn)明顯銹蝕，斷裂處有明顯的疲勞貝紋線，說(shuō)明該斷口為疲勞斷口，貝紋線圓弧中心部位有一處異狀突起，為裂源中心，根據(jù)不同形貌特征，可將斷面大致分為以下部分：

裂源區(qū)：裂源處位于斷面中部，距表面約5 mm處，該處有深色突起物，可見(jiàn)明顯的疲勞貝紋線及放射線，斷口紋路指向裂紋源中心部位。

擴(kuò)展區(qū)：該區(qū)域整體較為平坦，可見(jiàn)明顯放射線與疲勞貝紋線特征，近裂源部分放射線較為細(xì)密，遠(yuǎn)離處分較為粗大，表明裂紋擴(kuò)展速度先慢后快。

圖7 C區(qū)域宏觀形貌

圖8為A區(qū)域宏觀形貌，從圖中可見(jiàn)，斷口較為平整，表面邊緣區(qū)域有大量磕碰及擦傷痕跡，未見(jiàn)有明顯的貝紋線放射線等。根據(jù)其形貌，結(jié)合其宏觀，推測(cè)該區(qū)域可能為斷裂后期形成。

圖8 A區(qū)域宏觀形貌

3.2 微觀斷口分析

將斷口試樣清洗后，置于掃描電子顯微鏡下觀察。根據(jù)斷口形貌特征的不同，分別對(duì)如下各個(gè)區(qū)域進(jìn)行SEM 形貌觀察分析，所得結(jié)果如下：

(1) C裂源區(qū)：低倍下可見(jiàn)心部區(qū)域長(zhǎng)2.890 mm，寬2.766 mm 的孔洞。BEC形貌未見(jiàn)有明顯其他元素，高倍下可見(jiàn)表面呈丘狀。根據(jù)其位置推測(cè)可能為疏松孔洞缺陷(圖9-圖11)；

(2) C擴(kuò)展區(qū)：低倍可見(jiàn)大量放射線與少量的疲勞貝紋線。高倍下可見(jiàn)疲勞輝紋(圖11)；

(3) A區(qū)域：由圖可見(jiàn)，A表面形貌平坦，高倍下可見(jiàn)均為劃傷擦傷形貌，未見(jiàn)明顯異物等(圖12～圖13)。

圖8 SEM形貌

圖9 SEM形貌

圖10 SEM形貌

圖11 SEM形貌

圖12 SEM形貌

圖13 SEM形貌

3.3 金相檢驗(yàn)

圖14從斷面試樣，并按GB/T 13298—2015標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制樣，隨后在光學(xué)顯微鏡下觀察，結(jié)果如下：其顯微組織未見(jiàn)明顯異常，為奧氏體+鐵素體。

圖14 斷面試樣顯微組織

3.4 分析結(jié)果

(1)宏觀斷口及微觀斷口分析表明：C斷口裂紋源存在疏松缺陷，位于斷口心部，為疲勞斷裂，C斷口優(yōu)先于A斷口斷裂；

(2)葉片顯微組織為奧氏體+鐵素體。

經(jīng)以上分析結(jié)果可以認(rèn)定液環(huán)壓縮機(jī)葉片長(zhǎng)期使用存在疲勞斷裂的可能，葉輪使用周期不應(yīng)超過(guò)使用年限。定期更換葉輪。

4 預(yù)防措施

葉輪葉片斷裂是一種非常危險(xiǎn)的故障類型，為了預(yù)防這種故障的發(fā)生從鑄造和工藝過(guò)程中使用方面提出若干建議?？山档瓦@種故障的發(fā)生頻率或延長(zhǎng)葉輪使用壽命。技術(shù)方案分兩部分內(nèi)容：優(yōu)化葉輪鑄造工藝和降低壓縮機(jī)工作液循環(huán)量。

4.1 優(yōu)化鑄造工藝

壓縮機(jī)葉輪采用鑄造工藝，容易出現(xiàn)組織疏松、縮孔等鑄造缺陷，優(yōu)化鑄造工藝主要是減少鑄造缺陷，從以下幾個(gè)方面可對(duì)鑄造缺陷進(jìn)行改進(jìn)：

(1)葉輪澆鑄工藝為立澆。為解決底部不能放置補(bǔ)縮冒口，采取在芯子底部使用厚度為30～50 mm的鉻鐵礦砂(冷鐵)，使鋼水快速均勻冷卻，為葉片根部收縮創(chuàng)造條件；

(2)底部凹面放置外冷鐵，在鑄件冷卻過(guò)程達(dá)到快速冷卻，解決葉片根部出現(xiàn)微縮松和微縮裂；

(3)采用底部環(huán)形澆道及使用陶瓷直澆道，自下而上的澆鑄，解決鋼水在澆鑄過(guò)程中的亂向，使鑄件平穩(wěn)有效的收縮；

(4)加大上箱(葉輪有軸頭一端)冒口放置，冒口比例應(yīng)不低于葉輪重量的100%；

(5)為使冒口達(dá)到自然收縮的效果，提高冒口的高度，達(dá)到一定自然壓力和收縮效果，保證葉輪整體無(wú)缺陷；

(6)對(duì)新做葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提高葉輪剛性。

①葉輪驅(qū)動(dòng)端端板與葉片連接處(錐孔小頭)R8弧改為R12。

②葉輪驅(qū)動(dòng)端端板與葉片連接處(錐孔小頭)增加葉片厚度(如圖15所示)。

圖15 葉片改造圖

4.2 改進(jìn)工藝流程

從工藝方面進(jìn)行調(diào)整，減少流體對(duì)葉片的應(yīng)力。

降低壓縮機(jī)工作循環(huán)液改變光氣壓縮機(jī)運(yùn)行工況，消除設(shè)備噪音較大，降低葉輪疲勞破壞應(yīng)力。降低壓縮機(jī)工作循環(huán)液分為2個(gè)階段：

第一階段，逐步將流量降到11 m3/h(目前聯(lián)鎖值10 m3/h)，此階段流量聯(lián)鎖不切除，運(yùn)行30天，觀察設(shè)備運(yùn)行情況、各參數(shù)指標(biāo)，根據(jù)結(jié)果確定是否繼續(xù)第二階段調(diào)整；第二階段，需切除工作液流量聯(lián)鎖，逐步將流量降到10 m3/h。降低壓縮機(jī)工作循環(huán)液調(diào)整前確認(rèn)，壓縮機(jī)運(yùn)行處于良好狀態(tài)，各項(xiàng)工藝指標(biāo)正常，電氣、儀表顯示、控制準(zhǔn)確。

(1)第一階段調(diào)整

①第一周，循環(huán)流量由14.6 m3/h調(diào)整至13 m3/h，穩(wěn)定后觀察運(yùn)行，按“液環(huán)壓縮機(jī)巡檢記錄表”測(cè)量、記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行調(diào)整前后對(duì)比分析；

②第二周，循環(huán)流量由13 m3/h調(diào)整至12 m3/h，穩(wěn)定后觀察運(yùn)行，按“液環(huán)壓縮機(jī)巡檢記錄表”測(cè)量、記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行調(diào)整前后對(duì)比分析；

③第三周，循環(huán)流量由12 m3/h調(diào)整至11 m3/h，穩(wěn)定后觀察運(yùn)行，按“液環(huán)壓縮機(jī)巡檢記錄表”測(cè)量、記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行調(diào)整前后對(duì)比分析；

④組織專業(yè)會(huì)，總結(jié)、分析第一階段調(diào)試數(shù)據(jù)、生產(chǎn)指標(biāo)、設(shè)備運(yùn)行狀況、第一階段調(diào)整效果，形成書面意見(jiàn)。討論、確定進(jìn)行第二階段調(diào)整的必要性、注意事項(xiàng)等內(nèi)容。

(2)第二階段調(diào)整

①辦理相關(guān)票證，摘除循環(huán)流量流量聯(lián)鎖；

②前兩周，循環(huán)流量由11 m3/h調(diào)整至10.5 m3/h，穩(wěn)定后觀察運(yùn)行，按“液環(huán)壓縮機(jī)巡檢記錄表”測(cè)量、記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行調(diào)整前后對(duì)比分析，并根據(jù)壓縮機(jī)運(yùn)行狀況決定是否繼續(xù)調(diào)整，調(diào)整過(guò)程出現(xiàn)異常情況，按風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案執(zhí)行；

③后兩周循環(huán)流量由10.5 m3/h調(diào)整至10 m3/h，穩(wěn)定后觀察運(yùn)行，按“液環(huán)壓縮機(jī)巡檢記錄表”測(cè)量、記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行調(diào)整前后對(duì)比分析，調(diào)整過(guò)程出現(xiàn)異常情況，按風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案執(zhí)行；

④維持工作液循環(huán)量10 m3/h，液環(huán)壓縮機(jī)運(yùn)行一個(gè)月，記錄工作液流量、壓縮機(jī)排氣量、分離罐溫度、壓縮機(jī)排氣溫度、壓縮機(jī)振值、壓縮機(jī)機(jī)體溫度等參數(shù)；

⑤調(diào)整運(yùn)行一個(gè)月后，組織專題會(huì)總結(jié)、討論，通過(guò)工作液循環(huán)量的調(diào)整，分析工作液循環(huán)流量對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行的影響(現(xiàn)狀、效果)，確定循環(huán)流量聯(lián)鎖值、操作規(guī)程的修訂。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)廠內(nèi)實(shí)際運(yùn)行的液環(huán)壓縮機(jī)事故進(jìn)行全過(guò)程的分析，故障原因是葉輪葉片發(fā)生斷裂。通過(guò)對(duì)斷裂葉片的微觀分析，發(fā)現(xiàn)斷口裂紋源存在疏松缺陷，長(zhǎng)期使用葉輪造成疲勞斷裂。根據(jù)此種情況分別從鑄造工藝和工藝流程兩方面提出了若干有實(shí)際意義的建議。尤其在工藝流程方面，根據(jù)廠內(nèi)巡檢記錄的工藝流程提出針對(duì)性建議，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)和觀察發(fā)現(xiàn)：調(diào)整工藝流程后，葉輪葉片使用年限增加并且很少出現(xiàn)葉輪斷裂的情況。