分享：离心式空压机叶轮轮盘开裂原因

某化工厂离心式空压机驱动端振动测点异常超高,发生连锁跳车现象,拆开检查发现二级叶轮轮盘开裂并伴有残块脱落。轮盘开裂及残块的脱落位置如图1所示。该空压机已运行约2.5 a,主要对冷箱提供空气,并将压力由常压加压到0.48 MPa。空压机的工艺气体为空气,额定功率为33 979 kW,最大工作压力为0.66 MPa,最低工作温度为－45 ℃,最高工作温度为140 ℃。笔者采用一系列理化检验方法对该空压机叶轮轮盘开裂的原因进行分析,以避免该类问题再次发生[1-4]。 

图  1  轮盘开裂及残块脱落的位置外观

1.   理化检验

1.1   宏观观察

轮盘裂纹及脱落残块断口的宏观形貌如图2所示。由图2可知：裂纹沿轮盘与叶片根部的过渡圆角方向曲折扩展,并在轮盘外缘发生残块脱落现象；残块A面断口凹凸不平,存在二次裂纹,无塑性变形,呈宏观脆性断裂特征；断口表面腐蚀产物呈黄褐色,过渡圆角表面腐蚀产物呈黑灰色,过渡圆角与A面断口交界区腐蚀颜色较深,说明该处在整个断面中最先受到腐蚀；断口B面与A面具有相似的宏观形貌,边缘存在刮擦痕迹；背对过渡圆角的轮盘表面具有金属光泽,无腐蚀痕迹。 

图  2  轮盘裂纹及脱落残块断口的宏观形貌

1.2   化学成分分析

对断裂残块进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知：开裂轮盘的化学成分符合EN 10088-2:2014（E）《不锈钢 第2部分：一般用途耐腐蚀钢的钢板和带钢交货技术条件》对X3CrNiMo13-4马氏体不锈钢的要求。 

1.3   扫描电镜(SEM)及能谱分析

对图2b）中残块断口A面的位置1交界区、位置2断口中间区和位置3过渡圆角表面进行扫描电镜分析,结果如图3所示。由图3可知：位置1和位置2断口形貌均呈冰糖块状,且存在沿晶二次裂纹,表面存在腐蚀产物；位置2断裂晶面上,腐蚀产物局部发生破碎,并具有泥纹状花样特征；位置3可见泥纹状腐蚀产物和冲蚀磨损留下的麻坑。 

图  3  残块A面断口及过渡圆角表面的SEM形貌

对位置1交界区和位置3过渡圆角表面的腐蚀产物进行能谱分析,结果如图4所示。由图4可知：交界区与过渡圆角表面存在腐蚀性元素S、Cl,并有较高含量的O元素。 

图  4  位置1和位置3腐蚀产物的能谱分析结果

1.4   金相检验

在残块断口附近取样,对试样进行金相检验,结果如图5所示。由图5可知：按GB/T 10561—2023《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》A法评定,轮盘非金属夹杂物为DT1.0级；抛光态下可观察到在主裂纹附近有二次裂纹沿晶扩展,并存在树枝状分叉现象；腐蚀态下可见过渡圆角表面无氧化和脱碳现象,说明叶轮的工作温度在工艺参数范围内；轮盘的显微组织为粗大板条状回火马氏体,其奥氏体晶粒度为3级,属淬火过热组织。 

图  5  开裂轮盘的微观形貌

用盐酸水溶液对残块截面和过渡圆角表面进行热酸腐蚀处理,对试样的低倍组织进行宏观观察,结果如图6所示。由图6可知：裂纹起源于过渡圆角表面并向轮盘外表面扩展,主裂纹和部分树枝状的二次裂纹已贯穿整个截面。 

图  6  残块截面及过渡圆角表面的低倍组织形貌

1.5   硬度测试

按GB/T 231.1—2018 《金属材料 布氏硬度试验 第1部分：试验方法》分别对残块截面的临近过渡圆角一侧、心部、背对过渡圆角一侧进行布氏硬度测试,结果如表2所示。由表2可知：整个截面硬度均匀,平均值为343 HBW。依据ISO 18265：2013 《金属材料 硬度值换算》将截面硬度近似换算成抗拉强度,其参考值为1 155 MPa。可见轮盘材料的强度、硬度较高,超过了EN 10088-2:2014（E）的上限（抗拉强度为900~1 100 MPa）。 

2.   综合分析

由上述理化检验分析结果可知,开裂轮盘的化学成分、非金属夹杂物等级均符合标准要求。残块断口呈沿晶型的脆性断裂特征,过渡圆角与断口表面存在含S－、Cl－的腐蚀产物,裂纹起源于过渡圆角表面的冲蚀坑处,并呈分叉的树枝状沿晶界向轮盘外表面扩展、贯穿,呈典型的沿晶型应力腐蚀开裂断口特征。 

叶轮服役时,高速气流及空气杂质经过流道,会对轮盘与叶片的过渡圆角表面形成冲蚀磨损,导致表面出现麻坑,使工业大气中的S－、Cl－等有害化学离子在该处富集,形成应力腐蚀的起源区。叶轮主要承受的拉应力为离心力,在轮盘外缘的过渡圆角附近受到的拉应力最大,因此在该处发生了应力腐蚀开裂,并沿叶片根部的过渡圆角方向扩展。在轮盘外缘,裂纹贯穿整个截面,最终导致轮盘发生脱块现象。轮盘材料中存在粗大的回火马氏体过热组织,且轮盘的强度、硬度较大,增加了X3CrNiMo13-4马氏体不锈钢对应力腐蚀的敏感性,对轮盘的应力腐蚀开裂起到了促进作用。 

3.   结论与建议

轮盘开裂的原因为：轮盘与叶片的过渡圆角处存在冲蚀坑,裂纹在该处萌生,在离心力与工业大气中的S－、Cl－等腐蚀性阴离子的共同作用下,轮盘发生沿晶型应力腐蚀开裂；材料中粗大的淬火过热组织和较大的强度、硬度对轮盘应力腐蚀开裂起到了促进作用。 

建议改善企业工业大气的质量,降低空气中硫化物、氯化物等腐蚀性物质的含量,保持空气干燥,避免粉尘等颗粒物混入空压机的工作介质中。对叶轮易腐蚀部位,特别是过渡圆角等易造成冲蚀磨损的部位,增加耐磨、耐腐蚀涂层,防止腐蚀性阴离子富集。优化热处理工艺,细化晶粒,并采用适当的回火工艺降低材料的强度、硬度,改善其塑性、韧性,以提高材料的抗应力腐蚀能力。对空压机叶轮定期进行无损检测,避免发生突发事故。

文章来源——材料与测试网