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——壓縮機(jī)組可靠及智能化基礎(chǔ)研究成果介紹
疲勞或腐蝕疲勞是工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的一種失效形式，這一現(xiàn)象在石化行業(yè)中更為突出。那么，如何避免離心壓縮機(jī)葉輪的腐蝕疲勞失效呢？近日合肥通用機(jī)械研究院依托“973”課題條件下壓縮機(jī)關(guān)鍵部件劣化機(jī)理及延壽關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)石化行業(yè)離心壓縮機(jī)關(guān)鍵部件——葉輪的腐蝕疲勞問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，闡明了腐蝕疲勞失效機(jī)理、發(fā)生和發(fā)展規(guī)律。
疲勞是材料或構(gòu)件在循環(huán)載荷作用下突然發(fā)生斷裂的一種現(xiàn)象。疲勞破壞的例子在日常生活中屢見(jiàn)不鮮，如自行車在行駛時(shí)前叉突然斷裂，鐵鎬在刨地時(shí)從中一分為二，鋼絲在對(duì)折時(shí)掰斷等。人們?cè)谌粘Ｉ钪杏羞@樣的經(jīng)驗(yàn)，如果選擇在鋼絲生銹(腐蝕)的位置對(duì)折，鋼絲更容易被掰斷，可見(jiàn)腐蝕損傷對(duì)疲勞破壞會(huì)起到促進(jìn)作用。
石化行業(yè)這種情況同樣會(huì)發(fā)生。合肥通用機(jī)械研究院通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，石化行業(yè)離心壓縮機(jī)的很多失效事故與腐蝕疲勞密切有關(guān)，如石化企業(yè)空壓機(jī)葉輪的斷裂、催化裝置富氣壓縮機(jī)葉輪的開(kāi)裂等。在當(dāng)前石化企業(yè)生產(chǎn)中，葉輪的腐蝕疲勞問(wèn)題已經(jīng)成為制約離心壓縮機(jī)組長(zhǎng)周期安全運(yùn)行的主要失效模式之一。
為什么離心壓縮機(jī)葉輪容易發(fā)生腐蝕疲勞呢？合肥通用機(jī)械研究院條件下壓縮機(jī)關(guān)鍵部件劣化機(jī)理及延壽關(guān)鍵技術(shù)課題組解釋說(shuō),因?yàn)槿~輪在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，除承受變轉(zhuǎn)速離心力、氣流擾動(dòng)力等循環(huán)載荷作用外，還會(huì)與具有腐蝕性的工藝介質(zhì)直接接觸，循環(huán)載荷和腐蝕的聯(lián)合作用共同促成了葉輪腐蝕疲勞失效。
課題研究了葉輪在不同溫度空氣、水霧、鹽霧和硫化氫等介質(zhì)環(huán)境下的疲勞行為。以葉輪材料FV520B鋼在鹽霧環(huán)境下的疲勞為例，其破壞過(guò)程由點(diǎn)蝕坑形成長(zhǎng)大、裂紋從點(diǎn)蝕坑處啟裂擴(kuò)展直至斷裂等階段組成。在腐蝕疲勞過(guò)程初期，點(diǎn)蝕坑容易在材料表面微觀缺陷位置或疲勞損傷導(dǎo)致的電化學(xué)特性不均勻位置產(chǎn)生并逐漸長(zhǎng)大。當(dāng)點(diǎn)蝕坑長(zhǎng)大到裂紋萌生的臨界尺寸時(shí)，該位置就會(huì)出現(xiàn)裂紋，此后裂紋逐漸擴(kuò)展，直至斷裂。點(diǎn)蝕坑形成與長(zhǎng)大、裂紋萌生與擴(kuò)展等過(guò)程所需要的時(shí)間即為腐蝕疲勞壽命，它取決于服役溫度、應(yīng)力水平、化學(xué)腐蝕等因素的共同作用。
課題組在闡明疲勞失效機(jī)理、發(fā)生和發(fā)展規(guī)律基礎(chǔ)上，通過(guò)大量的理論分析和試驗(yàn)測(cè)試，并綜合考慮應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和化學(xué)場(chǎng)的共同作用，研究建立了壓縮機(jī)葉輪的腐蝕疲勞壽命預(yù)測(cè)方法。目前，該方法已在富氣壓縮機(jī)、循環(huán)氫壓縮機(jī)、空壓機(jī)葉輪的失效事故溯源中應(yīng)用，如針對(duì)某石化企業(yè)烯烴分部空壓機(jī)，應(yīng)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(guān)鍵影響因素，提出了預(yù)防點(diǎn)蝕形成、延長(zhǎng)疲勞壽命的在役維護(hù)建議，為避免同類事故反復(fù)發(fā)生提供了科學(xué)依據(jù)。
據(jù)悉，該研究成果還在壓縮機(jī)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中了應(yīng)用，如針對(duì)含鹽污水處理用機(jī)械式蒸汽再壓縮系統(tǒng)，在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)制造早期，充分考慮服役過(guò)程中可能存在的高濃度含鹽、水蒸氣環(huán)境，通過(guò)葉輪腐蝕疲勞壽命分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)，提高了壓縮機(jī)的壽命可靠性，為今后長(zhǎng)周期安全服役打下了良好基礎(chǔ)。今后，該成果還將在壓縮機(jī)在役再制造中進(jìn)行推廣，通過(guò)葉輪損傷狀況評(píng)估和剩余壽命分析，在確保安全的前提下，合理延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命，從而達(dá)到延壽的目的。
