某烟气轮机叶片断裂原因分析

， ， ， ， ， ， 杜娟，

(1.北京航空航天大学 材料学院，北京 100191；2.中国石油化工股份有限公司 天津分公司，天津 300270)

烟气轮机(简称烟机)是炼油厂催化裂化装置能量回收机组的重要设备之一，也是故障率较高的设备之一[1-2]。2015-02-06，某炼油厂某烟机轴位移突然变化并超过联锁值，机组联锁停机。经检查发现，烟机内有少部分静叶片破碎，烟机转子上73片动叶片全部自叶片根部发生断裂，且动叶片的榫槽处有异常磨损现象，最大磨损处深11 mm，磨痕清晰。烟机与轴流风机联轴器外罩撑破，联轴器法兰孔变形，联轴器膜片撕裂，螺栓断裂。在以往烟机失效故障中，因催化剂颗粒冲刷造成动叶片磨损的案例较多[3-4]，但其磨损深度均未超过5 mm。本次烟机故障中，动叶片磨损深度达11 mm，远大于以往报道中的数据，且磨痕清晰、规则。初步筛查发现，动叶片的表面结垢现象并不明显，且三旋出口细粉等分析数据均证实本次故障动叶片磨损不是由于催化剂颗粒造成的。为此，笔者采用多种技术手段，对此次烟机故障原因开展了深入细致的分析，明确了烟机叶片的断裂原因，可为同类烟机叶片的失效分析提供参考依据[5-12]。

1 动叶片失效原因分析

动叶片的根部断口形貌见图1。

图1 动叶片根部断口形貌

该烟机动叶片材质为GH864合金，测试得到的GH864合金化学成分见表1。从表1看出，动叶片材质各元素的质量分数均满足HG/T 3650—1999《烟气轮机技术条件》[13]中规定的GH864合金元素质量分数标准范围。

表1 动叶片材质GH864合金化学成分(质量分数) %

对动叶片根部附近金相组织进行观察，发现动叶片晶粒尺度大小均匀，符合HG/T 3650—1999中的规定，未发现异常。

动叶片断口微观组织见图2～图3。

图2 动叶片断口微观组织存在沿晶断裂(150×)

由图2～图3可以看出，断口组织形貌有明显的沿晶断裂特征(图2)，部分存在韧窝特征(图3)，未发现有疲劳特征，为一次性断裂，可能是因动叶片承受过载所致。

图3 动叶片断口微观组织存在韧窝(700×)

从本次烟机故障的损坏情况检查发现，动叶片榫槽部位有明显的磨损(图1)，磨损部位的最大磨损量大约为11 mm。为了确定与动叶片摩擦的摩擦件，重点分析了图1所示磨损部位的化学成分。为了进行对比，分别选取叶片根部断裂处的典型非磨损部位和磨损部位进行化学成分能谱检测分析，得到的检测分析结果分别见图4和图5。从图4和图5的能谱检测分析结果可以看出，叶片根部非磨损部位的w(Ni)/w(Fe)=54.69/0.5=109，该值处于正常范围；叶片根部磨损部位的w(Ni)/w(Fe)=12.06/1.92=6.3，磨损部位中Fe元素质量分数异常增高。通过分析排除了催化剂带Fe引起异常的可能，初步断定Fe元素质量分数异常应为摩擦件摩擦残留所致。

图4 动叶片根部非磨损部位能谱检测分析结果

图5 动叶片根部磨损部位能谱检测分析结果

对比烟机包括的零件材质，富含Fe元素而且硬度可与动叶片材质硬度相比的只有静叶片材质K213合金和螺栓材质GH2132合金。为进一步确认何种材质与动叶片发生摩擦导致其失效，对动叶片磨损处进行X射线光电子能谱分析(XPS)测试，对动叶片、静叶片以及螺栓进行室温和高温的硬度测试。

XPS技术可以精确分析动叶片磨损部位表面的化学成分组成，笔者重点测试了W、V、Ti、Si、Ni、Mo、Mn、Mg、Cu、Cr、Co、B、Al、O等元素，结果发现动叶片磨损表面残留物质中含有W元素(图6)。在富含Fe元素的动叶片、静叶片和螺栓材质中，只有静叶片材质中含有W元素。

图6 动叶片中W元素XPS精细分析谱

动叶片、静叶片及螺栓的室温及高温硬度测试平均值见图7。对比发现，无论是室温还是高温下，都有静叶片硬度值>动叶片硬度值>螺栓硬度值。由此推断，与动叶片根部发生磨损的异常件是静叶片断裂部件，而非螺栓。

图7 动叶片、静叶片及螺栓室温及高温硬度值

2 静叶片失效原因分析

烟机静叶片材质为K213合金，采用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)[14]、滴定法[15]、重量法[16]、高频燃烧红外吸收法[17]及光度法对静叶片材质化学成分进行测试分析，得到的结果见表2。从表2可以看出，静叶片材质各元素质量分数均在HG/T 3650—1999中规定的K213合金元素质量分数标准范围之内，并无异常。

表2 静叶片材质K213合金化学成分(质量分数) %

对静叶片进行金相组织分析，发现静叶片中含有大量的缩松和孔洞等铸造缺陷，晶界上分布着连续的黑色析出相和白色析出相，且晶界处存在微裂纹，见图8。

图8 静叶片金相组织中缺陷

为了进一步确定静叶片的首断件，在2017-08烟机停机检维修过程中，将所有的动叶片和静叶片残留物一并打捞出来。经过仔细辨认分析，最终选取了若干个疑似非正常冲击断裂的静叶片断裂件。对静叶片断裂件进行扫描电镜分析，发现有1个样品与其他断裂件呈现不同特征，在该样品靠近断口的边缘磨损表面观察到了一层厚厚的黑色条带，最厚处可达50 μm，见图9～图10。

图9 静叶片断裂件断口磨损边缘附近扫描电镜照片一

图10 静叶片断裂件断口磨损边缘附近扫描电镜照片二

采用能谱分析技术对这些烟机静叶片断裂件断口表面的黑色条带进行进一步分析，发现黑色条带处Cr、Al、Ti元素的质量分数偏高，同时富含O和S杂质元素(表3)，由此可以推断在该静叶片的表面生成了Cr、Al、Ti的金属氧化膜，同时还存在着硫化物。

表3 静叶片断裂件断口表面黑色条带能谱分析结果(质量分数) %

值得注意的是，在断口附近的静叶片内部也发现了金属氧化膜，同时观察到沿着金属氧化膜开裂的裂纹。由此推断，金属氧化膜不是在静叶片断裂之后瞬间形成，可能是在静叶片铸造过程中或者长时间服役过程中形成的。静叶片是采用铸造工艺制备，内部难免存在缩孔、缩松、气孔等铸造缺陷，一旦O原子进入，就容易在这些原始铸造缺陷部位与Cr、Al、Ti等原子发生反应，形成金属氧化膜。当金属氧化膜达到一定厚度时因应力集中形成裂纹，引起静叶片强度降低。烟机运转过程中，在高温热交变应力、粉尘冲刷及高温氧化环境作用下，裂纹进一步沿氧化膜发生扩展，最终导致静叶片断裂。

对该静叶片残骸的磨损处进行XPS测试分析，发现磨损处残留物质中含有Mo元素和Co元素，见图11～图12。

图11 静叶片残骸磨损处Mo元素XPS分析谱

图12 静叶片残骸磨损处Co元素XPS分析谱

对照静叶片K213合金和动叶片GH864合金化学成分，发现Mo和Co元素只存在于动叶片化学成分中，进一步证实了该静叶片残骸与动叶片接触并相互摩擦磨损的判断。

3 结论

(1)烟机动叶片的根部磨损不是由催化剂颗粒冲刷造成的，磨损动叶片根部的异常件为静叶片的断裂件。

(2)静叶片内部存在金属氧化膜缺陷，在高温环境热交变应力、粉尘冲刷及高温氧化作用下，裂纹沿氧化膜处扩展，引起静叶片强度降低，最终导致在氧化膜处发生断裂。

(3)静叶片断裂件与动叶片榫齿部位发生了严重的磨损，导致动叶片的承载面积减小，受载强度增大，最终因过载致使动叶片发生断裂，从而导致烟机失效。

(4)改善静叶片铸造工艺、消除铸造缺陷，从而提高静叶片产品质量，是确保烟机长期安全运行的有效手段。