催化裂化装置烟机叶片断裂原因分析及对策

1、催化裂化装置烟机叶片断裂原因分析及对策 魏 鑫/镇海炼油化工股份有限公司摘要：通过对300万t/a催化裂化装置TP11160烟机断裂叶片断裂口的宏观、微观和金相组织的观察，分析了叶片断裂的原因，同时提出了防止叶片断裂的建议与相应的对策措施。关键词：烟机 叶片断裂原因分析中图分类号:TE624.4+1 文献标识码:B文章编号:1006-8155(2006)01-0050-04Analysis and Treatment on Impeller Fracture for Flue Gas Fan of Catalytic Cracking PlantAbstract: Through macros

2、copic, microscopic and metal structure inspection on impeller fracture for flue gas fan TP11-160in catalytic cracking plant of 3,000,000t/y,the reason of impeller fracture is analyzed, furthermore, the proposal and treatment is put forward to prevent impeller fracture.Key words: Flue gas fan Blade F

3、racture Reason Analysis1 引言我公司300万t/a催化裂化联合装置烟机组，由TP11160型烟机、AV7111型轴流压缩机、GH530型烟机和YCH710-4型电动发电机组成。其中，烟机轴功率为16389kW，压缩机流量为252000Nm3/h。该机组于1999年8月进行机械试车和防喘振试验，11月9日烟机组投入运行，实现开车一次成功，机组投入生产后，机组运行平稳，烟机轴振动一般在35m 以下，最大不超过45m，轴瓦温度最高不超过55,其间烟气中催化剂浓度控制在110mg/3以下、粒度不超过5m 。但从2004年2月开始，因再生器旋分器故障导致三旋失效。烟气中催化剂浓度

4、增大且大于10m，颗粒比例增大，导致烟机转子叶片磨损十分严重。更换备用转子后，运行不足3周，烟机转子叶片也发生了严重的磨损。2004年6月装置停工检修，消除了再生器器料腿堵塞和三旋单管堵塞的缺陷，装置开工正常。三旋出口进烟机的烟气浓度为90100mg/m3、粒度小于5m的比例超过99%。同时，磨损的转子叶片经专业修复公司进行激光熔铸修复后，于同月12日重新投入运行。投运初期烟机前轴振动为40/20m，运行几天后，前轴振动开始小幅波动，经诊断主要原因是工频，为此进行了跟踪、分析：认为由催化剂粉尘在烟机叶片上的不规则堆积与剥落引起。2004年9月10日运行中的烟机突然发出巨大声音，同时烟机轴承箱着

5、火，装置迅速停工处理。2 烟机损坏情况烟机解体后发现烟机转子上3片动叶片已断裂（见图1），40余片被击伤；17片静叶片被击损伤；动叶围带被冲击变形穿孔；烟机轴承及气封严重损坏，短时间内烟机无法修复投运。 图1断裂叶片图3 原因分析事故发生后，我公司邀请了集团公司8位专家进行会诊，同时委托中国机械工程学会失效分析中心，对转子动叶片进行金相等项目的断裂失效原因分析。3.1断口宏观分析3片叶片中第三片（图1顺时针方向）表面有明显的弯曲变形和被冲击的痕迹。 因此，第三片是被打断的受伤件。其它两片叶片断口平齐，断裂面距叶片根部距离为1823mm，表面没有被冲击的痕迹，断口侧表面没有明显的塑性变形。发生断

6、裂的第一片叶片断裂起始于进气边与轮盘交汇处，断口有较明显的裂纹扩展区和瞬断区。断裂路径是由轮盘进气边向叶背排气边扩展的，最后断裂区有剪切唇。断裂的第二片叶片断裂起始于叶背的中段，是线源，也就是有多处起裂源。断口也存在较明显的裂纹扩展区和瞬断区。断裂路径是由叶背向轮盘方向扩展，最后断裂区也有剪切唇。第一片和第二片的断裂位置到叶根距离基本一致，这与叶片所承受的应力有关，叶片根部具有最大的综合应力。裂纹源的位置不同与材料中的缺陷有关。当材料表面或次表面存在明显的缺陷（夹杂、微裂纹、空洞）时，会大幅度降低材料的强度和受力状态，形成局部应力集中，裂纹通常在这些有缺陷的部位萌生、扩展。第一片断裂叶片的裂纹

7、扩展区大于第二片断裂叶片的裂纹扩展区，因此，第一片应该是首先破坏件。3.2 断口的微观分析3.2.1 第一片断裂叶片的微观分析断裂的第一片叶片裂纹起始于轮盘和进气边处，对断裂源区局部放大如图2。由图可见，进气边和轮盘表面保护层完整均匀，厚度大约0.5mm。照片的右下角为基体，呈沿晶断裂特征。照片中的其它部位均为熔敷层。裂纹起始于熔敷层的凹坑处，凹坑周边存有二次裂纹。凹坑的底部呈树枝晶中的树枝晶臂形状，并存有大量二次裂纹，在裂纹的扩展区有疲劳特征，瞬断区为韧窝（图3）。图2 裂纹源区图3 瞬断区的韧窝3.2.2 第二片断裂叶片的微观分析断裂的第二片叶片裂纹起始于叶背中段、多源，将源区局部放大，可

8、见有些部位表面保护层,在断裂源区局部区域存在由液体金属凝固相形成的疏松，疏松放大后呈现出典型的枝晶中的枝晶臂形状，枝晶臂的微观成分和熔敷区的其它部位成分基本一致。基体中的二次裂纹多为沿晶裂纹，熔敷区二次裂纹比较长，而且有多条裂纹扩展区呈疲劳特征。沿晶断裂晶界存在二次裂纹，裂纹扩展通过基体时，有局部瞬断区，微观形状是韧窝，韧窝是韧性断裂的特征。3.3 断口附近的金相组织分析将断裂的第一片叶片断裂源区制成金相试样，观察与断裂面（断口面）相垂直的轮盘面的金相组织。制得试样如图4所示。1. 断口表面 2. 试样的侧表面进气边 3. 熔敷层 4. 过渡层 5. 基体 3,4,5是经抛光、浸蚀后显现出金相

9、组织的轮盘次表面 图4 金相试样的全貌 此处的熔敷层厚度大约为3mm(基体组织到进气边)。因此，疲劳裂纹起始于熔敷层，扩展的初期也是在熔敷层。在熔敷层内还存在着两条长约9mm和8mm的裂纹，其中一条裂纹与断裂面贯通（图5）。在基体与熔敷层的连接面上发现有多条沿晶裂纹（图6），有的裂纹已经扩展，扩展长度约4.5mm。沿晶裂纹是在熔敷过程中形成的热裂纹，如果使用中裂纹在熔敷层内扩展就有成为断裂源的可能。图6 起始于基体表面的沿晶裂纹图5 熔敷层内的裂纹（未浸蚀）3.4 原因3.4.1 沿晶裂纹在所观察的金相试样中，都无一例外的发现有大量的沿晶裂纹。沿晶裂纹起始于基体表面，裂纹在基体表面最宽，向基体

10、内部扩展23个晶粒，向熔敷层扩展0.13mm。所观察到的沿晶裂纹应是在熔敷中形成的热裂纹，而不是使用中因腐蚀、应力腐蚀、蠕变等形成的裂纹。对裂纹的形成过程可以作如下简单描述：叶片锻件基体的晶粒度比较大（1#转子叶片24级，2#转子叶片13级），使晶界总数量相对减少，单位长度上所含杂质元素增加，致使晶界在较低的温度下软化。其熔化温度也相应降低，最低可以到800左右。而正常基体的熔化温度应在1350以上。而且晶界数量的减少，使单位面积晶界上的应力增加（组织应力或热应力）。以上两个因素使熔敷工艺过程中易形成沿晶开裂，开裂的晶界在凝固过程中扩展到熔敷层。如果在制定熔敷工艺中考虑到此点，进而改进工艺参数

11、，采用合理的熔敷厚度，可避免沿晶裂纹的发生。因此，沿晶裂纹是基体晶粒度较大、熔敷工艺不当，造成的热裂纹。3.4.2 激光熔敷中的缺陷激光熔敷中的主要缺陷是疏松、夹杂和裂纹。有的疏松或夹杂尺寸达0.8mm，并伴有裂纹（图7）。有的裂纹长度已经大于4mm。有些裂纹是埋藏型裂纹，有些已露出表面成为表面裂纹。这些裂纹是随机分布的，当这些缺陷位于叶片使用中的最大应力处时，就极有可能成为断裂源。 图8转子动叶片基体心部组织图7 激光熔敷中的缺陷 3.4.3 结论根据以上分析，激光熔敷中形成的沿晶裂纹和熔敷层中的缺陷是导致叶片断裂的主要原因。当然，也排除叶片锻件材料存在原始缺陷对激光熔敷质量的影响因素。基体

12、晶粒较大有利于沿晶裂纹的形成，2#转子动叶片的晶粒度为24级（图8）。4 采取的措施及建议(1)由于烟机组没有设置轴振动高高停机连锁，以至于在轴振动严重超标的情况下，烟机仍在高速运行，扩大了烟机轴承等部件的损坏程度，增加了烟机的修复难度。鉴于此情况增设并完善了烟机及压缩机振动连锁。(2)烟机实现长周期平稳运行，除了机组本身的质量外，最关键的是控制烟气中催化剂的浓度及粒度分布不超标。二催化装置由于再生器旋分器料腿堵塞，再生器旋分器跑剂严重，时间一长导致卧式三旋部分单管堵住，三旋出口烟气浓度超标且出现大量大颗粒的催化剂，在短短的几个月内，烟机转子严重磨损。因此，搞好反应再生系统的平稳操作，严格控制

13、烟气的浓度和粒度是烟机长周期运行的重要保证。(3)从这次叶片断裂的原因看，在严重磨损的动叶片上进行激光熔铸工艺，特别是在修复的经验上，还需要作进一步的探索和完善。在熔敷前要对断口进行清理，并对其组织进行金相分析，在熔铸过程中要深入考虑消除沿晶裂纹和减少熔敷层中冶金缺陷的焊接工艺，加强熔敷工艺后的金相检验。同时，对激光熔铸后的转子寿命要进行评估，明确修复后的转子使用寿命。(4)激光熔铸技术的优点：当关键设备的重要零部件损坏时，在帮助企业节省设备的检修时间，快速恢复生产，减少重大备件（部件）的库存储备以及提高材料的耐磨、抗腐蚀等方面都有其独到的长处。(5)这两年国内烟机叶片断裂事故报道较多，其中有些是因为叶片本身的材料缺陷引起的。因此，需进一步提高烟机国产叶片的材料性能、强化锻造和热处理工艺的管理、避免机加工所造成的缺陷、加强落实设备制造质量的各类仪器检测的可靠性。(6)对已超过使用寿命的叶片要进行寿命评估，在新叶片订购时可考虑备用2片叶片，待转子运行一定周期后,更换其中2片叶片进行寿