烟气轮机动叶片断裂失效分析.pdf

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1、250化工机械2013年烟气轮机动叶片断裂失效分析陈志静4(广东石油化工学院)摘要运用理化检验对某烟气轮机转子叶片断裂事故进行失效分析。通过断口宏、微观形貌、金相组织和化学成分分析表明：叶片在铸造时存在孔洞、裂纹等缺陷，材料组织中存在沿晶界分布的脆性相；烟机一直在较高温度下工作，热交变应力对叶片影响较大，烟机内各种固体颗粒对叶片有冲刷作用，最终导致叶片发生断裂。关键词烟气轮机动叶片铸造缺陷失效分析中图分类号TK263．3文献标识码B文章编号0254-6094(2013)02-0250-03烟气轮机(又称烟气透平)是以

2、烟气为工质，将工质的热能和压力能转换为机械能的原动机⋯。烟气轮机在炼厂催化裂化装置再生烟气能量回收系统中已得到广泛的应用，是石油加工企业的关键节能设备之一，它的平稳运行直接关系到整个机组乃至整个装置的安全稳定长周期运行旧1。烟气轮机叶片在高速旋转状态下工作，不仅要承受复杂的作用力和热负荷，还要承受环境介质的腐蚀与氧化，其工作条件十分恶劣，因而出现失效的概率较高。另外，叶片的使用寿命与叶片的材料、热加工及热处理工艺等密切相关㈧。某炼油厂烟气轮机在运行过程中发生叶片断裂，造成装置停产，给企业带来巨大的经济损失。笔者就该烟

3、气轮机断裂叶片的材料、宏观断口形貌、微观断口形貌以及金相组织进行分析，以探寻叶片断裂的原因，据此提出改进措施。1烟机的基本情况烟机叶片断裂事故发生后，经检查发现共有6个叶片断裂。如图1所示，其中1’、2。、5。、6。为表面断裂，均在边缘部位；3。、4’叶片在平行于连接部位断裂根据断裂位置情况初步判断1。、2。、5’、6。叶片为同一种类型断裂，3。、4。叶片为同一种断裂，故在进行理化检验时，只取两种类型中某一个或两个叶片进行检验分析。图1叶片断裂位置该烟机的介质成分为烟气(0：、CO、H：0、CO：、N：、SO：、催化

4、剂)；设计温度——入口630—6700C，出口480～5200C；工作压力——入口150～185kPa，出口7～9kPa。2叶片材料化学成分分析该烟机叶片材料为K213，取1。、3’断裂叶片做化学成分分析，结果见表1。通过化学成分分析，碳含量略微偏高，其余元素基本符合。K213属于高温铁基合金，为精密铸造，其设计寿命为105h左右。高温合金使用过程中承受温度、应力与环境的综合作用，铁基合金极易产生异常组织，且在晶界上容易析出碳化物，这些异常显微组织会损害合金性能，降低材料强度或增大脆性，增加了材料的缺口敏感性。+陈志

5、静，男，1984年1月生，讲师。广东省茂名市，525000。第40卷第2期化工机械251表1断裂叶片化学成分％3叶片金相分析．取4‘、5。叶片进行金相组织检验分析，如图2、3所示。可以看出叶片金项组织为奥氏体+1’+碳化物Ho。碳化物沿晶界分布，组织内部分布不均匀，形成沿晶界分布的脆性相，这是高温下长时间运行的特征。另外还可以看出裂纹起始于表面缺陷处，并沿晶界扩展，叶片内部存在铸造缺陷孔洞和氧化裂纹，可显著降低其力学性能，在运行过程中成为断裂源，是导致叶片沿晶界开裂的主要原因之一。图244叶片显微组织图35。叶片微观

6、组织4叶片断口形貌及断裂原因分析4．1断口宏观形貌取34、4。叶片样品断IZl，形貌如图4a所示。断裂位置与叶片根部平行，裂纹源由外向基材扩展，可见扩展平面和弧线；断151表面粗糙，无宏观塑性变形，呈黑色。图4b是1’、2’、5’、6。叶片样品断口的宏观形貌图，可以看出断口表面粗糙，无宏观塑性变形，呈黑色。图4叶片断口宏观形貌4．2断口微观形貌图5为3。叶片样品断口的微观形貌，可以看出3。叶片断口表面覆盖致密氧化物，为陈旧断VI；在裂纹尖端和瞬断区，表面覆盖氧化产物较少，断口表面以树枝晶断裂开裂为主，无疲劳迹象，伴随

7、大面积韧窝、解理开裂和二次裂纹，符合高温下材料脆性断裂之典型特征"1。图6为2。叶片样品断口的微观形貌。断口表面无氧化产物，有大面积韧窝，伴随解理开裂，晶界间存在孔洞等铸造缺陷。252化工机械2013正a断fI源lx-特征断【I扩鼹{《特}·雌惭h竹，_

8、_图53’叶片微观形貌5结论5．13。、4。叶片存在孔洞、裂纹等原始铸造缺陷，组织中存在沿晶界分布的脆性相，加之叶片长时间在高温下运行，承受热交变应力和粉尘冲刷，同时伴随高温氧化的作用下导致微观裂纹扩展、串图62。叶片断口微观形貌接形成晶间宏观裂纹，达到一定尺寸时，

9、沿树枝晶晶间突然脆性断裂。5．21。、24、5。、64叶片为瞬时断裂，特征为以树枝晶断裂为主，伴随韧窝、解理断裂，存在二次裂纹。断口表面氧化产物较少，应该是后于3’、4‘叶片断裂，推测为34、44碎断的叶片冲击造成的断裂。5．3铸造烟机叶片时要防止铸造缺陷的产生。5．4在烟机正常运转过程中，要尽量降低烟机整机的振动幅度和温度波动，从而减小振动和