某化工廠離心式空壓機(jī)驅(qū)動端振動測點異常超高,發(fā)生連鎖跳車現(xiàn)象,拆開檢查發(fā)現(xiàn)二級葉輪輪盤開裂并伴有殘塊脫落。輪盤開裂及殘塊的脫落位置如圖1所示。該空壓機(jī)已運行約2.5 a,主要對冷箱提供空氣,并將壓力由常壓加壓到0.48 MPa。空壓機(jī)的工藝氣體為空氣,額定功率為33 979 kW,最大工作壓力為0.66 MPa,最低工作溫度為－45 ℃,最高工作溫度為140 ℃。筆者采用一系列理化檢驗方法對該空壓機(jī)葉輪輪盤開裂的原因進(jìn)行分析,以避免該類問題再次發(fā)生[1-4]。 

圖  1  輪盤開裂及殘塊脫落的位置外觀

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

輪盤裂紋及脫落殘塊斷口的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：裂紋沿輪盤與葉片根部的過渡圓角方向曲折擴(kuò)展,并在輪盤外緣發(fā)生殘塊脫落現(xiàn)象；殘塊A面斷口凹凸不平,存在二次裂紋,無塑性變形,呈宏觀脆性斷裂特征；斷口表面腐蝕產(chǎn)物呈黃褐色,過渡圓角表面腐蝕產(chǎn)物呈黑灰色,過渡圓角與A面斷口交界區(qū)腐蝕顏色較深,說明該處在整個斷面中最先受到腐蝕；斷口B面與A面具有相似的宏觀形貌,邊緣存在刮擦痕跡；背對過渡圓角的輪盤表面具有金屬光澤,無腐蝕痕跡。 

圖  2  輪盤裂紋及脫落殘塊斷口的宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

對斷裂殘塊進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：開裂輪盤的化學(xué)成分符合EN 10088-2:2014（E）《不銹鋼 第2部分：一般用途耐腐蝕鋼的鋼板和帶鋼交貨技術(shù)條件》對X3CrNiMo13-4馬氏體不銹鋼的要求。 

1.3   掃描電鏡(SEM)及能譜分析

對圖2b）中殘塊斷口A面的位置1交界區(qū)、位置2斷口中間區(qū)和位置3過渡圓角表面進(jìn)行掃描電鏡分析,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：位置1和位置2斷口形貌均呈冰糖塊狀,且存在沿晶二次裂紋,表面存在腐蝕產(chǎn)物；位置2斷裂晶面上,腐蝕產(chǎn)物局部發(fā)生破碎,并具有泥紋狀花樣特征；位置3可見泥紋狀腐蝕產(chǎn)物和沖蝕磨損留下的麻坑。 

圖  3  殘塊A面斷口及過渡圓角表面的SEM形貌

對位置1交界區(qū)和位置3過渡圓角表面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：交界區(qū)與過渡圓角表面存在腐蝕性元素S、Cl,并有較高含量的O元素。 

圖  4  位置1和位置3腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果

1.4   金相檢驗

在殘塊斷口附近取樣,對試樣進(jìn)行金相檢驗,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：按GB/T 10561—2023《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》A法評定,輪盤非金屬夾雜物為DT1.0級；拋光態(tài)下可觀察到在主裂紋附近有二次裂紋沿晶擴(kuò)展,并存在樹枝狀分叉現(xiàn)象；腐蝕態(tài)下可見過渡圓角表面無氧化和脫碳現(xiàn)象,說明葉輪的工作溫度在工藝參數(shù)范圍內(nèi)；輪盤的顯微組織為粗大板條狀回火馬氏體,其奧氏體晶粒度為3級,屬淬火過熱組織。 

圖  5  開裂輪盤的微觀形貌

用鹽酸水溶液對殘塊截面和過渡圓角表面進(jìn)行熱酸腐蝕處理,對試樣的低倍組織進(jìn)行宏觀觀察,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：裂紋起源于過渡圓角表面并向輪盤外表面擴(kuò)展,主裂紋和部分樹枝狀的二次裂紋已貫穿整個截面。 

圖  6  殘塊截面及過渡圓角表面的低倍組織形貌

1.5   硬度測試

按GB/T 231.1—2018 《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》分別對殘塊截面的臨近過渡圓角一側(cè)、心部、背對過渡圓角一側(cè)進(jìn)行布氏硬度測試,結(jié)果如表2所示。由表2可知：整個截面硬度均勻,平均值為343 HBW。依據(jù)ISO 18265：2013 《金屬材料 硬度值換算》將截面硬度近似換算成抗拉強度,其參考值為1 155 MPa。可見輪盤材料的強度、硬度較高,超過了EN 10088-2:2014（E）的上限（抗拉強度為900~1 100 MPa）。 

2.   綜合分析

由上述理化檢驗分析結(jié)果可知,開裂輪盤的化學(xué)成分、非金屬夾雜物等級均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。殘塊斷口呈沿晶型的脆性斷裂特征,過渡圓角與斷口表面存在含S－、Cl－的腐蝕產(chǎn)物,裂紋起源于過渡圓角表面的沖蝕坑處,并呈分叉的樹枝狀沿晶界向輪盤外表面擴(kuò)展、貫穿,呈典型的沿晶型應(yīng)力腐蝕開裂斷口特征。 

葉輪服役時,高速氣流及空氣雜質(zhì)經(jīng)過流道,會對輪盤與葉片的過渡圓角表面形成沖蝕磨損,導(dǎo)致表面出現(xiàn)麻坑,使工業(yè)大氣中的S－、Cl－等有害化學(xué)離子在該處富集,形成應(yīng)力腐蝕的起源區(qū)。葉輪主要承受的拉應(yīng)力為離心力,在輪盤外緣的過渡圓角附近受到的拉應(yīng)力最大,因此在該處發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂,并沿葉片根部的過渡圓角方向擴(kuò)展。在輪盤外緣,裂紋貫穿整個截面,最終導(dǎo)致輪盤發(fā)生脫塊現(xiàn)象。輪盤材料中存在粗大的回火馬氏體過熱組織,且輪盤的強度、硬度較大,增加了X3CrNiMo13-4馬氏體不銹鋼對應(yīng)力腐蝕的敏感性,對輪盤的應(yīng)力腐蝕開裂起到了促進(jìn)作用。 

3.   結(jié)論與建議

輪盤開裂的原因為：輪盤與葉片的過渡圓角處存在沖蝕坑,裂紋在該處萌生,在離心力與工業(yè)大氣中的S－、Cl－等腐蝕性陰離子的共同作用下,輪盤發(fā)生沿晶型應(yīng)力腐蝕開裂；材料中粗大的淬火過熱組織和較大的強度、硬度對輪盤應(yīng)力腐蝕開裂起到了促進(jìn)作用。 

建議改善企業(yè)工業(yè)大氣的質(zhì)量,降低空氣中硫化物、氯化物等腐蝕性物質(zhì)的含量,保持空氣干燥,避免粉塵等顆粒物混入空壓機(jī)的工作介質(zhì)中。對葉輪易腐蝕部位,特別是過渡圓角等易造成沖蝕磨損的部位,增加耐磨、耐腐蝕涂層,防止腐蝕性陰離子富集。優(yōu)化熱處理工藝,細(xì)化晶粒,并采用適當(dāng)?shù)幕鼗鸸に嚱档筒牧系膹姸?、硬?改善其塑性、韌性,以提高材料的抗應(yīng)力腐蝕能力。對空壓機(jī)葉輪定期進(jìn)行無損檢測,避免發(fā)生突發(fā)事故。

文章來源——材料與測試網(wǎng)