离心式压缩机叶轮裂纹分析及修复措施

1、离心式压缩机叶轮裂纹分析及修复措施刘中原樊建成/宝钢股份公司宝钢分公司摘要：针对某大型空压机叶轮根部产生裂纹问题，通过有限元方法（fem）对叶轮内部应力 分布进行了数值计算，采用电镜扌i描和能谱分析方法对叶轮裂纹失效机理进行了实验分析， 发现叶轮裂纹为典型的应力腐蚀沿品开裂，并对该叶轮的修复技术进行了研究探讨。关键词：离心式压缩机；叶轮；有限元分析；应力腐蚀；激光熔覆中图分类号：tg174文献标识码：b文章编号：1006-8155 （2007） 05-0034-06analysis on impeller crack of centrifugal compressor and repairin

2、g measuresabstract: aiming at impeller cracks of one large compressor, the paper gives the numerical calculation for internal stress of impeller by fem. the test analysis on invalid mechanism of impeller crack is carried out by scanning electromicroscope and energy spectrum analysis method. it is fo

3、und that impeller crack is the typical stress-erosion cracking. so the paper gives the investigation and discussion on repairing tech no logy of impelle r.key words: centrifugal compressor; impeller; fem; stress-erosion; laser-cladding0引言宝钢某大型空压机为徳马克公司制造的大型组合齿轮式离心压缩机。其一级叶轮的转速 为5190r/min,流量172500nm7h

4、,进口压力为一个大气压，出口压力0. 548mpa。轴功率 11938kw,电机功率12680kwo 口投用至今己稳定运行了 16年。在该空压机的一次年修中，经着色探伤发现该空压机一级叶伦有5个叶片的前端根部附 近进口内缘存在着长度不等的裂纹（见图1）,裂纹长度约530mm,裂纹距叶根距离10 30mm。1叶轮裂纹失效的有限元分析1.1有限元建模和计算方法根据叶轮叶片局部尺寸实际测绘结果并参考现场照片，利用solidworks软件建立一级 叶轮的儿何模型。叶轮材料为g-x5crnil3 4 （din标准）,材料性能数据见表1。表1 g-x5crni13 4出厂检验材料性能e/cpap/( kg

5、/m')<7/,/mpa62/mpa2100. 37. 85 x 103998929釆用ansys/workbench软件将该叶轮划分为十节点四而体单元进行分析、计算，有限元 网格模型如图2所示。在加载时主耍考虑叶轮受的高速旋转时的离心力影响，计算模型中约 束叶轮后端中心圆柱面的位移。图1叶片裂纹位置图2叶轮有限元网格1.2有限元计算结果及应力分析根据有限元计算结果可知：叶轮屮的应力最大值为999mpa,位于前盖出口端的外表而。 另一个应力较大的部位在叶轮进口端靠近内缘根部的位置（接近本次实际裂纹部位），应力 值为806mpa。叶轮的第一主应力分布如图3和图4所示。从计算结果看出

6、，叶轮的最大应力位于前盖出口端外衣面（图3）,其数值己超岀材料 的极限强度。考虑到此应力主要是由于询盖的扭转变形引起的，而扭转变形值与前盖的厚度 以及叶型的儿何尺寸有关，该处计算应力较人的原因可能与未能精确测出叶片illi而的真实尺 寸所引起的几何尺寸差异有关。另外，由于该处在气流流道以外，不受高速气流直接冲刷， 即使其计算应力较大，但危险性较小。进口端放人 应力部位z最人丿电力部位laxins principal stress ipa999.172877.382称 755.593 633. 8031512.013 390. 223 2ss. 433 146. 643 24. 854图3叶轮正

7、面第一主应力图4气流进口第一主应力从图4看出，另一个应力较人的部位在叶轮进 口端靠近内缘根部的位置（接近本次实际裂纹部 位），为叶轮最大应力所在位置。但同样由于测量的 尺寸不够精确，其计算应力值与真实应力可能存在 一定差别。另外，对该类离心式压缩机的叶轮而言， 通常其离心载荷产生的应力与气体载荷产生的应力 应相互抵消一部分，但由于没有气体流动分布的数 据，在冇限元计算中无法计入气体载荷的影响，使 得计算的应力偏大。还需指出的是叶轮有限元方法 计算的最大应力分布在局部很小的一个区域内，在 其周围的应力衰减很快（见图5）,因此从平均应力 的概念来看，该处实际应力情况和有限元计算结果 给出的单点应力

8、（处于很小的区域）在数值上冇一 定的差异。2叶轮开裂的失效机理2. 1宏观分析图5叶片进口根部沿流道方向应力分布（a）试样（b）试样二由图1看出，5个叶片的开裂位置和形貌较为接近，由此判断其开裂性质应是相同的。 从中选取两片开裂叶片，切取含有裂纹的试样做解剖分析，如图6所示，其中图6a试样一 已沿裂纹完全断开，图6b试样二所示为裂纹从进气边处起始，向排气边方向扩展。将图6a 试样一从裂纹处分开并观察其断口宏观形貌可以看到：其断口较粗糙呈黑色，腐蚀氧化的特 征非常明显（见图7）。图6裂纹试样图8试样一断口的局部放大像（二次电子像）图io试样-侧面放大像2500 -2000f !i15001000

9、500-0i 0i:p1 i s!in- v 碇 zncoi nt计敢車05图9试样一断口的x射线能谱分析曲线10峯"鲨“v)图7 试样裂纹断口宏观形貌2.2扫描电镜和能谱分析将试样一裂纹断口置入扫描电镜进行 局部放大观察可以看到，在断口上覆盖着一 层腐蚀氧化产物并己出现龟裂，说明该氧化 产物较厚，叶片开裂时间已较长，如图8所示。经过对断口腐蚀氧化产物进行x射线能谱分析，不仅证实断口腐蚀氧化明显，而且说明 断口的腐蚀以硫离子的腐蚀为主，能谱分析illi线如图9所示。期外，对试样一的侧面进行扫描电镜观察，可以看到进气边处冇较多凹坑，如图10所 示。対其进行x射线能谱分析，结果与图9相近

10、，这说明叶片表面也受到了腐蚀，而口这种 腐蚀以硫离子的腐蚀为主。而这种凹坑的形成则是高速气流的长期冲刷和空气屮的腐蚀性介 质元素共同作用的结果。断口试样经丙酮清洗后再次置入扫描电镜观察，如图11所示，由于覆盖在断口上的腐 蚀产物被清除，断i i形貌变得较为清晰。可以看出该断口不同部位的粗糙程度存在较明显的 差异，大致可分为两个区域，分别用字母a、b标示，其中b区较a区更为粗糙。图12所示 为试样一进气边附近的断口放大像，呈较典型的冰糖块状沿晶断口形貌特征。将图11中 的a区和b区分别放人也显示为典型的沿晶断口，只是b区晶粒尺寸明显人于a区晶粒尺寸, 造成两个区域断u粗糙程度明显不同。清洗后的断

11、u形貌肯定了清洗前断m的观察结果。对试样二做扫描电镜分析和x射线能谱分析，其结果与试样一的上述分析结果相同。图11淸洗后试样一断口的二次电子像图12试样-进气边断口的放大像2.3金相分析平行于含裂纹的试样二的叶片表面制备金相磨而。金相观察结果如图13所示，大箭头 所示为肉眼所见裂纹，呈弯曲状且分出许多小裂纹；小箭头所示为该大裂纹两侧分出的小裂 纹。经対图13中肉眼所见裂纹局部放大，nj以看出该裂纹两侧的小裂纹是沿晶裂纹。显然 这些沿晶小裂纹农明肉眼可见裂纹也是沿晶扩展的，只是由于后者较宽，其沿晶开裂特点不 及小裂纹清晰。图13肉眼所见裂纹在金相烧面的形貌50x图14叶片金相组织为板条马氏体和少

12、量铁素体将试样二经化学试剂腐蚀显示叶片的金相组织，如图14所示，基本上为板条马氏体并 含有少量铁索体，属正常组织。同时图14再次显示裂纹是沿晶扩展的。2.4叶片开裂失效原因综合分析叶片宏观形貌表明材料表面腐蚀程度较轻，无全面腐蚀的特征，但裂纹较深，裂纹的走 向基本与主应力方向垂百，断口宏观形貌有腐蚀色，能观察到放射状条纹；扫描电镜分析结 果说明叶片发生了沿晶开裂，这种开裂与腐蚀有关，而且以与硫元素有关的腐蚀为主；用金 相显微镜观察，裂纹特征为分叉树枝状，据此，可以确定叶片开裂应为应力腐蚀开裂。即叶 片在应力及腐蚀介质的联合作用下，出现低于材料强度的脆性开裂。叶片开裂部位在进气边根部附近，rh于

13、进气边处存在一定的应力集中，其根部是叶片工 作时受力较人的位置，因此导致叶片开裂的应力应为以离心力为主的工作应力。而导致叶片开裂的腐蚀介质应来自空压机的工作环境，即钢铁企业冶炼区域的工业气氛，其中含有二氧 化硫气体。因此，引起叶片腐蚀的介质应以二氧化硫为主。时间 激光束过程材料图15激光熔覆技术原理冇资料指出工业大气会引起马氏体不锈钢 沿晶应力腐蚀开裂。失效叶轮材料的化学成分与 马氏体不锈钢较为接近，其金相组织基木上为马 氏体，因此工业大气同样可以引起叶片发生沿晶 应力腐蚀开裂it。3叶轮修复技术研究和实施3.1激光熔敷技术介绍由于该叶轮裂纹是沿晶腐蚀开裂并呈分叉 树枝状，因此在裂纹延伸的头部

14、打止裂孔不能完 整彻底地解决问题；如果采用普通的补焊处理则 极有可能因该方法的热影响区过大而大幅度降 低叶轮的材料强度并导致基体热变形。最终经反 复研究讨论决处釆用激光熔敷技术对叶轮进行 修复。激光熔敷技术是利用人功率激光束聚集能 量较高的特点，瞬间将被加工件表1何微熔，微熔层很薄，同时使零件表面预置合金粉或与激 光束同步口动送至激光熔融点的合金粉完全熔化，获得与基体冶金结合的致密敷层。其原理 如图15所示。该技术具有如下性能特点：（1）激光熔敷层与叶轮基体为冶金结介，结介强度不低于原基体材料的90%；（2）基体材料在激光加工过程中仅表面微熔，微熔层为0. 050. 1mm,由于熔化时间矩、

15、微熔层薄，使该工艺的热影响区很小，激光加工过程中基体温升不超过80°c,激光加工后 基本无热变形；（3）激光熔敷技术可控性好，自动化程度高；（4）熔敷层与基体均无粗人的铸造组织，熔敷层及其界而组织致密，品体细小，无孔 洞、夹渣、裂纹等缺陷：（5）激光熔敷层组织是由底层、中间层以及面层组成的各具特点的梯度功能材料，底层具有与基体浸润性好、结合强度高等特点；中间层具有一定强度和硬度、抗裂性好等特点; 而层具有抗冲刷、耐磨损和耐腐蚀筹性能，使修复厉的备件在安全性和使用性能上更加有保图16叶轮修复后的形貌障。3.2叶轮修复实施激光熔敷技术实施前先将叶片裂纹部分彻底 淸除并切割岀45°

16、; v形坡口，便于合金粉料附着 并与基体结合。每条裂纹处切割一个坡口，共有5 个坡口。最人的v型坡口为60imn （斜边）x60mm（斜边）x45mm （坡口开口） x 15mm （坡口厚度, 即该处叶片厚度），最小的坡口 20mm x 20mm x 15mm x12mm0进行着色探伤以确保裂纹清除干净;激光加工 时从v形坡口根部开始逐层熔敷，先以与某体浸 润性好的材料进行底层的熔敷，厚度0.50 0. 80mm,然后改用中间层材料熔敷大部分缺口， 直至接近填满坡口，最后使用耐腐蚀、耐冲刷的而层材料熔敷，厚度0,5mm,并留出1mm的 加工余量。然斤根据叶轮型线对激光熔敷修复位置进行修磨，边修

17、磨边探伤，直至修复部位 的型线与叶轮型线完全一致。最后再次探伤，确保修复的质量。从切割坡口至修复完成，一 共用时7天，其中熔敷授大的坡口用时两天。原徳国材料叶轮对应的中国牌号为zg06crl3ni4mo（t程结构川屮、高强度铸造不锈钢）, 根据其材料特点在激光熔敷修复的合金粉中适当加入一定量的钻基成分，可以提高叶轮的抗 热疲劳特性。试验表明添加适量钻基成分的屮间层在激光加工完成后的极限强度可达 looompa左右，完全满足叶轮工作负载的要求。修复后经超声波探伤和着色探伤未发现内部缺陷和表面裂纹。经対专门制作的试样分析 检测激光熔敷层与基体的结合强度己达到要求，根据前面的有限元分析结果可知，该叶轮町 以继续使用。图16所示为叶轮修复厉的情况。4结论（1）通过试样断口的x射线能谱分析和扫描电镜等分析结果，结合压缩机的运行环境 和