离心压缩机叶轮应力腐蚀行为和机理的研究

1、离心压缩机叶轮应力腐蚀行为和机理的研究离心式压缩机是一种以气体为工作介质的高速旋转叶轮机械 , 依靠叶轮高速 旋转产生的离心力 ,使气体压力和速度都得到提高。 依靠这一特性 , 离心式压缩机 广泛应用于石油、化工、天然气输运、冶金、矿山等领域 , 是石油、化工等行业 的关键设备。叶轮作为离心式压缩机的核心部件 , 工作环境具有高温、高压、高转速、工 作介质种类繁多等特点 , 在其长期工作服役过程中 ,要承受离心载荷、工作介质的气动载荷、振动载荷、腐蚀介质的作用及颗粒杂质的冲击磨损 , 往往会产生各种 损伤, 如开裂、破断、减薄、变形等 ,这其中, 应力和腐蚀环境共同导致的应力腐 蚀破裂具有很强

2、的隐蔽性和突然性 , 叶轮一旦发生应力腐蚀破裂 , 往往会导致重 大安全事故的发生 ,因此, 开展离心式压缩机叶轮应力腐蚀研究 ,掌握叶轮材料在实际服役环境中的应力腐蚀行为和机理 , 对于叶轮的设计和制造、保障企业安全 生产和提高企业效益都有重要作用。本文依托国家重点基础研究发展计划 (973计划)项目“再制造对象的多强场、 跨尺度损伤行为与机理 , 可再制造的临界阈值(2011CB013401)”, 模拟管道离心式压缩机叶轮实际服役环境 , 通过数值模拟方法、 电化学方法、慢应变速率拉伸应力腐蚀试验法和恒位移预制裂纹应力腐蚀试验法 系统开展了叶轮钢FV520B及其焊接接头在高温、高压H2S/

3、C0郵境中的应力腐 蚀开裂(SCC)研究,得到如下研究成果：(1)采用数值模拟方法,分析了离心式压缩 机叶轮内部流场对叶片应力场、温度场、速度场以及腐蚀介质分布的影响规律。流固耦合前后叶片等效应力分布趋势基本相同 , 最大值都位于叶片吸力面上 ,靠近前缘与轮盖的结合处。H2S在叶轮叶片吸力面、压力面靠近前轮盖处浓度较 高, 并且从叶轮入口至出口处 , 其质量分数逐渐增大。C02由于分子质量更大，因此主要分布在叶片吸力面靠近后轮盖处以及压力面前部 , 并且从叶轮入口至出口含量逐步降低。叶片点蚀坑是叶片等效应力最大 的位置,同时,流体速度在点蚀坑处急剧降低,造成H2S和C02在点蚀坑处富集, 进而

4、成为应力腐蚀裂纹的起源处。 通过分析FV520B叶轮钢及其焊接接头在高温、高压H2S/CO2环境中的电 化学极化曲线,研究了 H2S浓度、C02浓度、温度、压力等环境参数对材料自腐蚀电位、腐蚀电流密度的影响规律,结果显示H2S在 FV520B的电化学腐蚀过程中占主导地位,H2S的加入不但加速了 FV520B叶轮钢的阳极溶解,对FV520B叶轮钢阴极反应也有很大的促进作用,随着H2S浓度的升高,FV520B自腐蚀电位降低,自 腐蚀电流密度升高,腐蚀速率增加,当H2S摩尔百分比浓度高于12%寸,FV520B自 腐蚀电位开始趋于稳定。与母材相比,FV520B焊接接头在同样环境中的自腐蚀电 位相对更负

5、 , 自腐蚀电流密度更高 , 腐蚀速率更快。(3)FV520B叶轮钢在含H2S和C02环境中发生了明显的应力腐蚀破裂,应力腐蚀裂纹起源于材料表面 , 并向材料内部扩展 , 扩展方向垂直于应力方向 , 裂纹特 征符合穿晶型应力腐蚀开裂特征 , 在试样侧面出现点蚀坑和细小裂纹 , 在应力的 作用下逐渐扩展形成横向裂纹 ,试样断口微小裂纹明显增加 ,并且形成台阶状的二次裂纹扩展形貌,说明FV520B在含H2S和 C02环境中的断裂形式为穿晶解理型脆性断裂,H2S对FV520B叶轮钢的应力腐蚀起主导作用,随H2S浓度的增加,材料 力学性能不断降低,应力腐蚀敏感性指数上升。H2S浓度的升高可以加速FV5

6、20B 阳极溶解反应 , 同时, 大量的氢进入材料内部并在内部缺陷处富集 , 在外加载荷的 作用下导致材料发生氢致开裂。因此,FV520B的应力腐蚀机理为阳极溶解和氢致开裂混合机制，裂纹扩展模式为穿晶型应力腐蚀开裂。(4)叶轮钢FV520B焊接接头在含H2S和C02环境中的 抗应力腐蚀性能较差,H2S浓度变化对应力腐蚀敏感性影响较小,即使在H2S浓度 很低的情况下 , 焊接接头的应力腐蚀倾向仍然非常严重。焊接工艺导致FV520B焊接接头内部存在大量的气孔和夹杂等缺陷,表面的 缺陷会导致试样表面形成点蚀坑 , 进而发展为横向裂纹 , 内部的缺陷则会成为氢 原子的聚积处 , 在氢压和应力的作用下形

7、成孔洞 , 进而产生氢致开裂裂纹。 由于焊 接缺陷的存在 , 焊接接头试样断口凹凸不平 ,并且存在明显的台阶状二次裂纹 , 解 理特征明显 , 体现了氢致开裂机制。温度对FV520B焊接接头在H2S/CO2环境中的应力腐蚀影响较大,FV520B焊 接接头拉伸过程中自腐蚀电位变化规律与其应力腐蚀敏感性随温度变化规律相 同, 随着温度升高 , 自腐蚀电位升高 , 应力腐蚀敏感性降低。 (5) 通过对应力腐蚀敏 感性指数的回归分析,建立FV520B及其焊接接头应力腐蚀敏感性指数与 H2S含量、C02含量、温度和压力等实验介质参数之间的交互型数学模型,结果显示H2S浓度、温度对FV520B应力腐蚀敏感

8、指数的影响较为显著,同时,温度分别与其它三 个参数对应力腐蚀敏感指数产生交互作用。温度对FV520B焊接接头的应力腐蚀敏感指数影响最为显著,同时,CO2浓度 与压力对其应力腐蚀敏感指数产生交互作用。 (6) 恒位移预制裂纹应力腐蚀试验 显示,FV520B叶轮钢在H2S/CO2环境中的应力腐蚀裂纹扩展速率随加载应力强度 因子的升高而逐渐增大 , 两者近似呈线性关系。随着H2S浓度的升高,导致材料发生应力腐蚀的临界应力强度因子KISCC随之下降, 应力腐蚀裂纹扩展速率 da/dt 基本呈现增加的趋势 , 抗应力腐蚀性能变 差。低初始加载应力强度因子情况下，随温度升高，KISCC先降低后升高，高初始 加载应力