离心风机叶轮飞裂原因分析.docx

离心风机叶轮飞裂原因分析浙江大学金涛汪希萱云南工业大学胡明辅摘要针对一离心式尾气风机叶轮飞裂事故, 在现场调查和理论分析的基础上, 分析了叶轮断裂的几种形式及产生原因, 采用排除法, 认为焊接缺陷是造成事故发生的主要 原因, 提出了改进措施。关键词离心式通风机叶轮失效1风机及其事故情况电, 所以失效的根源在于运动过程中叶轮的突然断裂失效, 最后引发前盘连同叶片的裂解飞出。 事故发生后, 由于无人员伤亡, 厂里对事故原因没有采取取证分析, 仅拍摄了破裂叶轮的部分照片, 叶轮碎片连同剩余部分卖给了一家铸造 厂, 给分析事故原因带来了极大的困难。下面是 我们根据风机的制造、运行、现场调查和有关理论, 采用排除法对这一事故的定性分析。事故风机为某三聚磷酸钠厂喷雾塔尾气风机, 电 机 功 率 610kw , 通 过 联 轴 节 带 动 叶 轮 以1450 r/m in 的 速 度 旋 转 将 尾 气 排 除, 风 量 11 104m 3 /h , 进 出 口 风 压 差 11k p a, 叶 轮 直 径2180mm 。尾气主要成分为一氧化碳 (co )、二氧 化碳 (co 2 )、水蒸气和五氧化二磷 ( p 2o 5 ) , 温度70。由于风机在大检修时发现原叶轮表面有细 小裂纹且振动过大, 重新制造了叶轮更换后投入使用126天之后发生飞裂事故, 叶轮前盘飞出机壳, 撞穿厂房墙壁, 在空中飞行了 50m 远, 直接 经济损失20多万元, 停产一周, 损失上百万元。3风机结构及破坏状况2宏观分析对事故的调查发现, 大部分叶片连同前盘撕裂飞出, 撞开蜗壳后又一起击穿厂房钢筋混凝土 墙 壁飞出, 另一块叶片 ( 30 50cm ) 从相反方向 飞出, 联轴器也同时被扭断, 但电机及主轴均未 损坏。可以认为, 联轴器的扭断是由于突然增大 的扭矩。因为叶轮运转受阻而电机未能及时断图1 风机叶轮结构叶轮由前盘、后盘和焊于它们之间的10块叶 片组成 (图1) , 材质为00c r17n i14m o 3。事故后前 盘连同大部分叶片整个飞出, 后盘基本完好。脱 离点均在叶片与端盖的焊缝连接处。收稿日期: 19980617故障诊断流体机械1999 年 1 月3890年代以来, 国内曾出现了数起风机叶轮飞裂的事故2 、3 , 从事故原因看, 既有疲劳断裂, 也 有应力腐蚀破坏断裂3 。由于影响叶轮使用寿命 的因素是多样的, 和叶轮的选材、制造、使用环境 及加载速度有关, 有时是几种因素综合作用的结果, 所以破坏断裂机理也是复杂的。下面分别分 析三种断裂的可能性:(1) 应力腐蚀断裂 应力腐蚀破坏断裂是不 锈钢破坏断裂的一种常见形式, 不仅遍及采用不 锈钢的化工、石油、动力、航空、原子能等工业部门, 而且遍及耐腐蚀的几乎所有常用的钢种和合 金。文献 3 中的风机叶轮就属不锈钢应力腐蚀 破坏断裂。但不锈钢应力腐蚀破坏断裂是在一定 的条件下发生的4 、5 , 敏感的合金 (材料因素)、特 定的介质 ( 环境因素) 和静拉伸应力 ( 力学因素)是不锈钢产生应力腐蚀的几个基本条件。 对本文分析的风机转子, 从几个基本条件看, 不能排除应力腐蚀的可能, 但根据对照分析, 断裂前后使用的其它转子, 材料和环境都是相同 的, 却没有发现任何应力腐蚀的迹象; 在力学因素中, 工作应力与制造过程中的残余应力相比, 工作应力占主要作用; 对原始缺陷而言, 检修时 都发现表面有多条裂纹。因此, 应力腐蚀造成叶 轮断裂的可能性较小。( 2) 脆性断裂 脆性断裂和温度密切相关, 统计表明, 许多事故都发生在低温工作的构件 中。但这并不是说, 只有低温才会发生脆性断裂。 影响材料脆性断裂的因素相当多, 有些文献将这 些因素分为工程、机构和冶金因素三大类。在一 个结构中究竟那些因素对脆性断裂起决定作用还难以确定, 无法找到一个单一的作为结构有无 脆性危险的判据, 临界转变温度法只不过是一种 带有广泛经验性的判据6 。从本文的叶轮断口看(现场照片) , 既可能是脆性断裂和腐蚀破坏断 裂, 也可能是疲劳破坏断裂。但从三个方面分析,我们可以排除脆性断裂: 一是叶轮使用的材料00c r17n i14m o 3为奥氏体钢面心立方晶格韧性失效原因分析4叶轮的几种破坏形式及产生原因见表11 。表1形, 当载荷增大而超过某一数 值, 即 发 生是突然发生的, 裂纹扩展速率可高达1500方晶格和密排六方和菱方晶格金属中及断裂由于 某种原因弱化了晶界后发生的面上产生的应力达到该材料的缺口拉伸而在应力作用下导致的脆性断裂。延性断裂411根据拍摄照片和现场调查, 断口呈平齐状,无塑性变形的迹象, 而且电机也无过速和超载的 情况。一个重要的事实: 制造材料是由厂里提供 给制造厂的, 原计划制造2只叶轮, 由于厂方改换 了制造厂, 制造了另一只叶轮安装使用至今。因 此, 可以排除延性断裂形式, 这个事实为事故的 分析提供了一定的依据。412蠕变、氢脆和热疲劳断裂 从风机运行工况分析, 使用温度为70, 介质微腐蚀, 无氢离子存在。因此, 可以排除蠕变、 氢脆和热疲劳破坏断裂。413应力腐蚀和脆性断裂材料 ( 延 伸 率 =50 ) , 较 之 体 心 立 方 晶 格 材料, 不易发生脆性断裂: 其次是环境温度, 工作温度为70, 高于材料的临界转变温度; 最后是对事故形式破坏形式产 生 原 因叶 轮 飞 裂延性 断裂在 载 荷 作 用 下, 晶 体 首 先 发 生 弹 性 变屈服, 载荷继续增加时, 发生进一步变形, 致使某些晶体局部破坏断裂最终导致金 属的完全破坏断裂。亦称韧性断裂或塑性 断裂脆性 断裂断裂前没有或只有少量塑性变形, 断裂 2000m /s。主要有解理断裂和沿晶脆性 断裂。解理断裂属穿晶脆断, 常 在 体 心 立在低温、高应力应变的环境下 发 生; 沿 晶 断裂疲劳 断裂金属材料在低于拉伸强度极限交变应 力的反复作用下缓慢发生和扩展并导致 突然破坏的方式, 疲劳破坏断裂是一个由 疲 劳 裂 缝 产 生疲 劳 亚 临 界 扩 展疲 劳 裂缝扩展到由于最大循环载荷在剩余截强度或裂缝长度达到材料断裂韧性允许 的临界值时, 发生急剧破坏的过程环境 破坏 断裂(1) 应力 腐 蚀 破 坏 断 裂, 敏 感 金 属 或 合 金在 一 定 拉 应 力 ( 施 加 的 外 力 或 残 余 应 力) 和一定的腐蚀介质共同作用下产生的 特殊破坏断裂。(2) 氢脆 破 坏 断 裂, 因 氢 渗 入 钢 件 内 部(3) 蠕变破坏断裂和热疲劳破坏断裂第 27 卷第 1 期流体机械39(1- m /2)(1- m /2)-a ca 0比分析, 同样材料制造的叶轮, 事故后使用至今仍完好。即使是在焊接中存在缺陷, 以及所造成 的材料的局部脆化, 在交变载荷作用下, 裂纹扩 展以至失稳断裂也不应理解为脆性断裂, 应按疲 劳断裂考虑。414疲劳断裂 在交变载荷的作用下。金属结构中的某些薄弱环节经常会在结构的表面首先形成裂纹, 该风 机在运行检修中也曾发现表面出现多条裂纹, 最大的长度达8mm 左右, 检修人员采取焊接后打 磨的方法来消除裂纹。风机在运行过程中, 由于振动产生的动应力, 是造成裂纹产生和扩展的原 因。但裂纹的萌生和扩展直至断裂是有一定过程 的, 影 响 叶 轮 寿 命 的 因 素 可 以 用 一 个 公 式 表n =m m /2cm(1- m /2) c ( )i式中c、m 帕里斯公式中的系数和指数, c= 1. 01381010 , m = 4. 1694a 0 初始裂纹尺寸, mm 交变应力幅,m p a现已知循环次数 n f 、临界裂纹尺寸 a c , 反过来可以求得初始裂纹: a 0 = 2113mm 。 由于风机运行过程中的振动, 使裂纹在动应力下扩展, 从而导致振动疲劳, 经实验测定 , 最大动应力总是出现在叶轮的前盘靠近轮毂处, 这 也与叶轮飞裂的部位相同。9初始裂纹通常出现在焊缝处, 一般可以估计, 裂纹主要是由于焊接缺陷造成的。焊接缺陷 包括: 未焊透、未熔合、裂纹、夹渣、气孔、咬边、烧 穿和成形不良等, 其中裂纹是最危险的焊接缺 陷。象未焊透、未熔合、夹渣、气孔、咬边、烧穿也 可 以 理 解 为 焊 缝 材 料 上 的 表 面 裂 纹 和 深 埋 裂纹5 。41412焊接裂纹产生的原因 焊接裂纹根据裂纹形成的条件和温度, 分成在固相线附近形成的热裂纹和构件冷却后形成 的冷裂纹。不锈钢焊缝焊好后, 都要进行酸洗、钝化处理。铬镍奥氏体不锈钢焊后变形和收缩都比低碳 钢大, 产生热裂纹的原因, 主要是存在于奥氏体晶界上低熔点杂质, 使焊缝在它的结晶期内受到 拉应力的作用, 柱状晶体的接合被破坏。奥氏体 不锈钢在450 850的加热时间越长, 晶间腐蚀 倾向越厉害。使加热量尽可能集中。示7:da = f(、a、c、e)dn式中 a 原始裂纹长度n 总的循环次断 应力c 与材料、工艺制造等有关常数e 使用环境、条件、温度等影响因素 在应力水平、材料和使用环境一定的情况下, 原 始 裂 纹 的 大 小 对 叶 轮 疲 劳 寿 命 影 响 很大8 。如果材料本身以及制造过程中存在缺陷, 往往导致叶轮在短期内失效。根据文中分析的叶 轮, 我们可以估计原始缺陷的大小。41411初始裂纹尺寸估算7 、8叶轮焊缝处的最大应力, 由轮盘强度公式计 算 得 = 214116m n /m 2; 材 料 的 k ic = 46, s =28916m n /m 2。风机实际仅使用了126 天就发生 飞裂, 风机的工作转速为1450 r/m in , 由此可求出5事故主要原因及改进措施叶轮失效的总循环次数: n f =界裂纹尺寸按下式求得:263088000 次。临从上面的分析可知, 制造中特别是焊接裂纹缺陷、漏检和监控措施不力是造成这次事故的主 要原因。据此我们采取了以下改进措施:( 1) 加强叶轮原材料检验, 除表面缺陷检验 外, 应用超声波或射线方法检查材料可能存在的内部缺陷。(2) 用疲劳强度理论和断裂失效理论对风机 1 ( k ic ) 2 = 11. 713 (mm )a c = c i tm ax式中 c i 应力强度因子系数, c i = 1. 12由帕里斯公式:acn =ada0c ( k ) m积分后可得裂纹扩展寿命的表达式:流体机械1999 年 1 月40社, 1979赵劫民. 离心式通风机叶轮飞裂的原因分析 及改进措施. 风机技术, 1993; (3) : 19 27 白 书 欣 等. 风 机 失 效 分 析. 机 械 工 程 材 料,1996; 20 (1) : 50 52陆世英等. 不锈钢应力腐蚀事故分析与耐应 力腐蚀不锈钢. 原子能出版社, 1985陆 世 英 等. 不 锈 钢 应 力 腐 蚀 破 裂. 科 学 出 版 社, 1977孟广吉吉, 贾安东. 焊接结构强度和断裂. 机械 工业出版社, 1986赵少汴, 王忠保. 抗疲劳设计方法与数据. 机 械工业出版社, 1997进行可靠性分析, 并以此计算得出叶轮的最大原始表面裂纹尺寸和深埋裂纹尺寸。( 3) 加强焊接工艺的监控, 严格执行焊接工 艺流程, 严格限制焊缝金属中的 s、p 等杂质元 素的含量。推荐用短弧焊, 低线能量、窄焊道技术 等, 提高熔池的冷却速度。如采用手工电弧焊, 要 求焊前预热和焊后热处理8 。( 4) 对采用新的钢种、焊材必须进行严格的 焊接工艺评定, 必要时应用微型剪切试验新技 术, 对焊接接头的常规力学性能试验结果进行验 证和分析; 焊后应对焊缝进行缺陷探伤。( 5) 使用过程中, 对过大及异常的振动应引 起注意, 不定期地测量叶