液环压缩机叶轮失效分析

离心式压缩机应用广泛，在化工、制冷、航空等领域都有很重要的应用。离心式压缩机叶轮疲劳断裂会造成很严重的事故，近年来受压缩机故障导致工厂停车的事故时有发生，严重的甚至会危害人民的生命安全。叶轮断裂原因一方面是制造叶轮的材料有缺陷，另一方面是加工制造过程中会造成其结构疲劳强度的降低，压缩机内部流体是非定常运动的，进而产生的气体动力载荷也是非定长的，这样产生的交变载荷长期持续的作用于压缩机叶轮会造成压缩机叶轮发生断裂[1]。截至目前，大多数文献只是对叶轮的材料进行分析改进或对叶轮进行建模从而对其进行固有频率的分析。而忽略了对叶轮进行微观的形貌分析，这就造成了很难发现叶轮断面的缺陷等问题。因此，在故障发生后要及时关注并分析叶轮的微观形貌，并进行分析以此来对叶轮故障有更深刻的认识，为探索叶轮缺陷的案例及预防措施提供详细的资料数据和解决方案。文章以在工厂中发生的事故实例为分析对象，对液环压缩机叶轮失效进行实验和分析，从事故的发生、处理、分析和解决等方面详尽介绍了液环压缩机叶轮疲劳断裂，并总结出相应的应对措施。1液环压缩机的主要结构及工作原理1.1液环压缩机的主要结构为了对压缩机有更深刻的了解和分析，首先介绍压缩机的结构原理。液环压缩机是容积式压缩机，它是为正向位移型设备，其需要原动机的带动，一般使用电动机。以下为单级式压缩机的主要部件：(1)外壳，内部盘边相对于轴的旋向具有双偏心关系；(2)叶轮，靠轴承的支撑和轴的带动；(3)锥形结构(锥形结构和叶轮见图1)；(4)轴承箱，有支撑脚便于设备的支撑和装配。图1锥形结构与叶轮1.2工作原理叶轮的旋转驱动工作液，工作液充满部分壳体并形成一个椭圆型的旋转液环，称之为液环。通过离心的作用，工作液与机壳内部的偏心表面相贴合，并在每半周的旋转中使工作液朝向远离旋转中心的方向。由于叶轮上两个连续的叶片的限制作用，液环的工作方式类似于液体活塞，气体在第一个四分之一旋转周期进入压缩机，并在第二个四分之一周期中被压缩，叶轮的旋转形成两个同时且对称的吸入/压缩循环。锥形结构是进行气体分配的主要结构，其上有两个吸气和两个排气孔并且形状不同，一对吸或排气口的其中一个相连于吸气法兰另一个相连与吸气压力盖上的排气法兰[2]。另有一个轴向的、在端盖上的法兰来提供密封液。因为内部偏心率相对于叶轮的轴向旋转是对称的，液体和叶轮产生的压缩气体带动产生相对于径向的压力并传递给轴，此压力在一般的情况下为零，通过180度的旋转锥形结构能够使进/出法兰的位置互换。如图2是液环压缩机主要工作过程。图2压缩机工作过程1.3工作液工作液是产生液环的载体，液环的作用如下：(1)对气体进行压缩；(2)对无机械结构接触的气体进行密封；(3)带走压缩过程中产生的热量；采用不燃性密封液可确保压缩机的安全；为了带走压缩产生的热量和补偿随压缩气体流失的液体，密封液要持续的更新。密封液通过压缩机的轴向进气法兰流向排气法兰，密封液通过气液分离器与气体分开，可以采用冷却系统以保持重新进入闭环压缩机的密封液的温度，密封液也可通过分离器的底部排除(开环系统)。一般的做法是将部分由气液分离器/冷却器中来的液体重复循环，另一部分用新的液体。液体通过压缩机的锥形结构吸气室进入，其压力不等于吸气压力，所以循环可通过分离器排/进气的压力差得以延续。压缩机的工作液要以适当的流动速率流动。循环工作液的流动速率体现压缩机和闭环布局的特性，其增减改变吸/排气压力，设定流动率很重要，流动率的获得需要遵照排气压力的大小。正确的流动率在设计的时候就已经选定，最佳的基本工作状态为工作液进入压缩机时有适当的温度，有指定的流动速率，这需要一些辅助的设备，如加热器、管道、阀门等。当在闭环系统中时，有时分离器与密封液进入法兰的压力差超过允许的循环液速率，所以必须安装调整阀以控制流量的合理。图3为液环压缩机系统图。图3液环压缩机系统图2压缩机叶片断裂及处理液环压缩机与其他压缩机不同，它是一种变容性压缩机，它将离心力通过叶轮上的叶片传递给液体，液体则像活塞一样工作，从而达到传送气体的目的[3]。由此可见压缩机中液环的重要性，叶轮故障对于压缩机来说是非常严重的一种故障，常见的故障有压缩机温度过高，烧机封、压缩机机封泄漏、压缩机压力达不到要求、排气量不足、叶轮故障等。叶轮故障一直是众多学者探究的故障之一，它们从材料、理论方面进行多种方法的分析，给出许多有见解[4]。但对于叶轮故障的实例分析还较少，工厂中运行的液环压缩机实际叶轮故障分析有利于更好的印证理论分析，也能从实际角度探讨解决方案，它对解决叶轮失效故障有着实际意义。通过本次对事故过程完整的解析，提供了叶轮断裂的微观形貌图，得出了故障原因及预防性措施。2.1事件经过2021年12月7日20点54分，中控操作员发现液环压缩机电流由16.8A突然升至18.3A并且一段时间后没有回降，立即告知各专业现场排查。机械、电气、仪表和工艺人员在现场排查过程中发现21点16分电流突然升至25.4A，同时设备振值达到满量程10mm/s,且现场噪音较大，机械工程师发出停机指令中控操作员立即点停压缩机。图4为压缩机电流运行趋势实时图，横坐标为时间，纵坐标为电流值，此图为截取1.5h内的电流变化趋势。由压缩机电流运行趋势实时图可知：电流一直很平稳发生的波动很小并且在一定范围内波动，但突然在某一时刻电流突然变大，又平稳运行一段时间后电流又一次骤增，并且这次电流的增加量是第一次电流的增加量的若干倍。结合其他现象可判断压缩机出现较大的故障，所以及时停机检查。图4压缩机电流运行趋势2.2事件处理置换合格后，现场解体检查压缩机：发现叶轮一个叶片有2/3左右发生断裂脱落，造成其余叶片外沿卷曲变形、锥体外表轻微磨损(图5为脱落的叶片)。叶轮材质为316L，累计使用时间为35个月。压缩机叶轮失效使用前7个月曾进行过PT检测，未见异常。此次事故并未造成人员伤亡，但对化工厂内的效益和生产计划造成了严重影响。为了进一步分析叶轮损坏原因对叶片损坏原因进行分析，对脱落的叶片进行理化检验分析。图5脱落叶轮叶片3叶片断裂分析3.1宏观检验图6为送检叶轮宏观形貌[5]，由图可见叶轮整体断为三段，根据大小可分为A、B、C三个部分。叶轮中心B区域整体较为平整，有明显挤压变形的痕迹，表面有大量划伤，两侧断口已磨损殆尽；A区域表面有少量划伤，断口擦伤较严重；C区域断面整体保存较好，未见有明显的塑性变形，未见有锈蚀现象。根据以上观察现象，选择A与C区域作为主要研究对象。图6送检叶轮图7为C区域宏观形貌，由图可见，断面未见明显的塑性变形，也未见明显锈蚀，断裂处有明显的疲劳贝纹线，说明该断口为疲劳断口，贝纹线圆弧中心部位有一处异状突起，为裂源中心，根据不同形貌特征，可将断面大致分为以下部分：裂源区：裂源处位于断面中部，距表面约5mm处，该处有深色突起物，可见明显的疲劳贝纹线及放射线，断口纹路指向裂纹源中心部位。扩展区：该区域整体较为平坦，可见明显放射线与疲劳贝纹线特征，近裂源部分放射线较为细密，远离处分较为粗大，表明裂纹扩展速度先慢后快。图7C区域宏观形貌图8为A区域宏观形貌，从图中可见，断口较为平整，表面边缘区域有大量磕碰及擦伤痕迹，未见有明显的贝纹线放射线等。根据其形貌，结合其宏观，推测该区域可能为断裂后期形成。图8A区域宏观形貌3.2微观断口分析将断口试样清洗后，置于扫描电子显微镜下观察。根据断口形貌特征的不同，分别对如下各个区域进行SEM形貌观察分析，所得结果如下：(1)C裂源区：低倍下可见心部区域长2.890mm，宽2.766mm的孔洞。BEC形貌未见有明显其他元素，高倍下可见表面呈丘状。根据其位置推测可能为疏松孔洞缺陷(图9-图11)；(2)C扩展区：低倍可见大量放射线与少量的疲劳贝纹线。高倍下可见疲劳辉纹(图11)；(3)A区域：由图可见，A表面形貌平坦，高倍下可见均为划伤擦伤形貌，未见明显异物等(图12～图13)。图8SEM形貌图9SEM形貌图10SEM形貌图11SEM形貌图12SEM形貌图13SEM形貌3.3金相检验图14从断面试样，并按GB/T13298—2015标准进行制样，随后在光学显微镜下观察，结果如下：其显微组织未见明显异常，为奥氏体+铁素体。图14断面试样显微组织3.4分析结果(1)宏观断口及微观断口分析表明：C断口裂纹源存在疏松缺陷，位于断口心部，为疲劳断裂，C断口优先于A断口断裂；(2)叶片显微组织为奥氏体+铁素体。经以上分析结果可以认定液环压缩机叶片长期使用存在疲劳断裂的可能，叶轮使用周期不应超过使用年限。定期更换叶轮。4预防措施叶轮叶片断裂是一种非常危险的故障类型，为了预防这种故障的发生从铸造和工艺过程中使用方面提出若干建议。可降低这种故障的发生频率或延长叶轮使用寿命。技术方案分两部分内容：优化叶轮铸造工艺和降低压缩机工作液循环量。4.1优化铸造工艺压缩机叶轮采用铸造工艺，容易出现组织疏松、缩孔等铸造缺陷，优化铸造工艺主要是减少铸造缺陷，从以下几个方面可对铸造缺陷进行改进：(1)叶轮浇铸工艺为立浇。为解决底部不能放置补缩冒口，采取在芯子底部使用厚度为30～50mm的铬铁矿砂(冷铁)，使钢水快速均匀冷却，为叶片根部收缩创造条件；(2)底部凹面放置外冷铁，在铸件冷却过程达到快速冷却，解决叶片根部出现微缩松和微缩裂；(3)采用底部环形浇道及使用陶瓷直浇道，自下而上的浇铸，解决钢水在浇铸过程中的乱向，使铸件平稳有效的收缩；(4)加大上箱(叶轮有轴头一端)冒口放置，冒口比例应不低于叶轮重量的100%；(5)为使冒口达到自然收缩的效果，提高冒口的高度，达到一定自然压力和收缩效果，保证叶轮整体无缺陷；(6)对新做叶轮结构进行改进，提高叶轮刚性。①叶轮驱动端端板与叶片连接处(锥孔小头)R8弧改为R12。②叶轮驱动端端板与叶片连接处(锥孔小头)增加叶片厚度(如图15所示)。图15叶片改造图4.2改进工艺流程从工艺方面进行调整，减少流体对叶片的应力。降低压缩机工作循环液改变光气压缩机运行工况，消除设备噪音较大，降低叶轮疲劳破坏应力。降低压缩机工作循环液分为2个阶段：第一阶段，逐步将流量降到11m3/h(目前联锁值10m3/h)，此阶段流量联锁不切除，运行30天，观察设备运行情况、各参数指标，根据结果确定是否继续第二阶段调整；第二阶段，需切除工作液流量联锁，逐步将流量降到10m3/h。降低压缩机工作循环液调整前确认，压缩机运行处于良好状态，各项工艺指标正常，电气、仪表显示、控制准确。(1)第一阶段调整①第一周，循环流量由14.6m3/h调整至13m3/h，稳定后观察运行，按“液环压缩机巡检记录表”测量、记录相关数据，进行调整前后对比分析；②第二周，循环流量由13m3/h调整至12m3/h，稳定后观察运行，按“液环压缩机巡检记录表”测量、记录相关数据，进行调整前后对比分析；③第三周，循环流量由12m3/h调整至11m3/h，稳定后观察运行，按“液环压缩机巡检记录表”测量、记录相关数据，进行调整前后对比分析；④组织专业会，总结、分析第一阶段调试数据、生产指标、设备运行状况、第一阶段调整效果，形成书面意见。讨论、确定进行第二阶段调整的必要性、注意事项等内容。(2)第二阶段调整①办理相关票证，摘除循环流量流量联锁；②前两周，循环流量由11m3/h调整至10.5m3/h，稳定后观察运行，按“液环压缩机巡检记录表”测量、记录相关数据，进行调整前后对比分析，并根据压缩机运行状况决定是否继续调整，调整过程出现异常情况，按风险应急预案执行；③后两周循环流量由10.5m3/h调整至10m3/h，稳定后观察运行，按“液环压缩机巡检记录表”测量、记录相关数据，进行调整前后对比分析，调整过程出现异常情况，按风险应急预案执行；④维持工作液循环量10m3/h，液环压缩机运行一个月，记录工作液流量、压缩机排气量、分离罐温度、压缩机排气温度、压缩机振值、压缩机机体温度等参数；⑤调整运行一个