某化工廠離心式空壓機驅動端振動測點異常超高,發生連鎖跳車現象,拆開檢查發現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葉輪輪盤開裂的原因進行分析,以避免該類問題再次發生[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展,并在輪盤外緣發生殘塊脫落現象；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；斷口表面腐蝕產物呈黃褐色,過渡圓角表面腐蝕產物呈黑灰色,過渡圓角與A面斷口交界區腐蝕顏色較深,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   化學成分分析

對斷裂殘塊進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：開裂輪盤的化學成分符合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、位置2斷口中間區和位置3過渡圓角表面進行掃描電鏡分析,結果如圖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,表面存在腐蝕產物；位置2斷裂晶面上,腐蝕產物局部發生破碎,并具有泥紋狀花樣特征；位置3可見泥紋狀腐蝕產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交界區和位置3過渡圓角表面的腐蝕產物進行能譜分析,結果如圖4所示。由圖4可知：交界區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腐蝕產物的能譜分析結果

1.4   金相檢驗

在殘塊斷口附近取樣,對試樣進行金相檢驗,結果如圖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 標準評級圖顯微檢驗法》A法評定,輪盤非金屬夾雜物為DT1.0級；拋光態下可觀察到在主裂紋附近有二次裂紋沿晶擴展,并存在樹枝狀分叉現象；腐蝕態下可見過渡圓角表面無氧化和脫碳現象,說明葉輪的工作溫度在工藝參數范圍內；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行熱酸腐蝕處理,對試樣的低倍組織進行宏觀觀察,結果如圖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、心部、背對過渡圓角一側進行布氏硬度測試,結果如表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果可知,開裂輪盤的化學成分、非金屬夾雜物等級均符合標準要求。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展、貫穿,呈典型的沿晶型應力腐蝕開裂斷口特征。 

葉輪服役時,高速氣流及空氣雜質經過流道,會對輪盤與葉片的過渡圓角表面形成沖蝕磨損,導致表面出現麻坑,使工業大氣中的S－、Cl－等有害化學離子在該處富集,形成應力腐蝕的起源區。葉輪主要承受的拉應力為離心力,在輪盤外緣的過渡圓角附近受到的拉應力最大,因此在該處發生了應力腐蝕開裂,并沿葉片根部的過渡圓角方向擴展。在輪盤外緣,裂紋貫穿整個截面,最終導致輪盤發生脫塊現象。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馬氏體不銹鋼對應力腐蝕的敏感性,對輪盤的應力腐蝕開裂起到了促進作用。 

3.   結論與建議

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,在離心力與工業大氣中的S－、Cl－等腐蝕性陰離子的共同作用下,輪盤發生沿晶型應力腐蝕開裂；材料中粗大的淬火過熱組織和較大的強度、硬度對輪盤應力腐蝕開裂起到了促進作用。 

建議改善企業工業大氣的質量,降低空氣中硫化物、氯化物等腐蝕性物質的含量,保持空氣干燥,避免粉塵等顆粒物混入空壓機的工作介質中。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。優化熱處理工藝,細化晶粒,并采用適當的回火工藝降低材料的強度、硬度,改善其塑性、韌性,以提高材料的抗應力腐蝕能力。對空壓機葉輪定期進行無損檢測,避免發生突發事故。

文章來源——材料與測試網