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1、烟气轮机动叶片损坏常见情况分析及解决措施*任旭阳，张玉峰，白云【摘 要】对动叶片被冲蚀破坏、激光熔敷后产生裂纹、长周期使用后动叶片榫 齿与轮盘榫槽接触不良局部产生应力过大破坏而导致叶片破坏 3 方面进行了阐 述分析，并提出了解决措施。期刊名称】甘肃科技年(卷),期】2013(029)017总页数】4关键词】烟气轮机；动叶片；破坏；解决措施YL 型烟气轮机（简称烟机）经过 20 多年的发展，目前已成为国内催化裂化装置能量回收系统中的主导产品。目前在气动设计上已基本形成以基元叶型和轮盘直径为分档，输出轴功率在2000 33000kW之间的系列产品。烟机是炼厂催化裂化装置能量回收机组的关键设备之一，
2、其平稳运行直接关系 到整个机组乃至整个装置安稳长周期运行。作为机组设备之一，烟机的平稳运 行受很多外界因素的干扰，尤其是转子，很容易损坏，其中动叶片表现的最为 明显，主要包括动叶片被冲蚀破坏、激光熔敷后熔敷部位产生裂纹、动叶片榫 齿与轮盘榫槽接触不良产生局部应力过大破坏叶片等，主要就这类问题进行讨 论。1 动叶片冲蚀破坏的基本情况烟气中催化剂颗粒对烟机过流部件的冲蚀会直接导致叶片涂层破坏，叶片涂层一旦破坏，表面出现磨坑，就会形成应力集中的发源地，产生微裂纹，这种情 况下，在叶片运行的时候由于受到自身质量引起的离心力、气流对叶片的作用 力及受热不均匀引起的热应力综合作用下，裂纹会继续扩展，由微观
3、裂纹变成 宏观裂纹，并最终导致叶片断裂。动叶片冲蚀破坏后的实物照片如图 1 所示， 可以看出，动叶片冲蚀部位主要集中在叶片的迎风面及内弧近出气端面处，尤 其是内弧近出气端面处冲蚀现象特别严重，有些地方甚至出现了蚀透的现象。1.1 冲蚀机理及原因分析 冲蚀破坏主要受催化剂颗粒的流动速度、粒度、浓度、冲击角度及叶片涂层性 能几方面因素的影响。根据经验公式可知，粉尘颗粒对金属的冲蚀量可简单表示为：公式中为叶片冲蚀量，k为系数，与粒子的硬度，冲击角度等参数有关；V 为粒子流动的速度；d为粒子的直径；a、b为常数。关于粉尘颗粒粒度大小与冲蚀量的关系，根据国外专业厂家试验 1如图 2所示及经验数据表明：颗
4、粒粒度在5pm以下时可以造成较小的冲蚀；在5 20pm时将造成严重的冲蚀；2040pm时将造成更严重的冲蚀，而在颗粒粒 度超过50pm以后，实际上不再增加冲蚀量。气体、小粉尘颗粒及大粉尘颗粒通过动叶片时的流动轨迹如图 3 所示，由于粉 尘颗粒质量惯性的缘故，在流动过程中，直径越大的微粒相对气流中心线的偏 移量越大。根据气动模拟可以给出，不同粒度的催化剂在叶栅内的轨迹图，如图 4 所示， 参照叶片被冲蚀现象，判断造成叶片被冲蚀破坏的主要介质直径为1540pm 的大颗粒催化剂。1.2 YL型烟机防冲蚀设计由于烟机通过介质为含有固体催化剂颗粒的高温烟气两相介质，因此，在气动 设计上一方面要从机组总体
5、设计考虑，在满足装置匹配要求的通流量的条件下， 优化选择合理的流道尺寸、轮盘直径、叶型及安装角度，使之效率达到优化值，还需要通过多相流分析，预测不同粒度的催化剂颗粒在流道中的运动轨迹，分析其冲蚀情况后做相应的调整，尽量地降低催化剂对叶片和流道的冲蚀破坏。因此，在设计中就出现了效率特性和磨损特性（叶片、材料的磨损率和寿命） 相矛盾的问题。为了有效地解决效率特性和磨损特性相矛盾的问题,YL型烟机的结构设计上采取了一系列的措施：在设计时控制气流合理的流动速度。YL型烟机动叶片选取0.5的反动度，与其他反动度叶片比较， 0.5 反动度叶片的优点在于它的介质流速较低，静叶、动 叶的出口流速仅高于圆周转速
6、 30%，这样就有效地减少了介质对叶片的冲击速 度。在流道内设立固体颗粒折转台阶，如图 5 所示，由于离心力的作用，固体颗粒 往往向流道外侧偏移，设立这样的折转台阶可以有效地防止动叶片上部冲蚀破 坏严重的现象，使得叶片的冲蚀在整个叶身上比较均匀。叶片及流道表面喷涂高性能的防冲蚀涂层。目前 YL 型烟机采用的涂层为“长 城1号”2高效耐磨涂层，该涂层是专门为YL型烟机开发研制的，曾获得 国家科技进步三等奖，实验室数据及使用经验都证明：该涂层无论与母体的结 合强度还是耐冲蚀性能都完全可以满足目前一般烟机在设计工况的使用要求。 另外，针对专门大功率高焓降烟机的“长城 33 号”耐磨涂层，其工艺、硬度
7、 结合强度等技术指标都优于“长城1号”，能够对叶片提供更好好的保护。在叶片型线系列成熟、完善，涂层质量保证，装置的工艺条件及催化剂颗粒的 硬度、流动速度、直径及其对叶片的冲击角度相对稳定的情况下，设计上采取 的这些有效措施很好地防止了催化剂颗粒对叶片和流道的冲蚀破坏。2 齿面接触面积不够产生局部应力超标2.1 榫齿及榫槽加工尺寸的控制YL 型烟机转子轮盘和动叶片采用枞树型三齿结构连接，采用枞树型叶根，优点 是尺寸小、强度高、安全性好、拆卸方便。图6为烟机常用甲890轮盘与配套 叶片榫槽、榫齿的加工图纸，其中榫齿加工采用磨削或铣削加工，轮盘采用拉 削加工，加工时要求严格保证精度要求。在榫头设计时
8、，考虑到工艺上很难做到百分之百的接触，通常采用 80%接触作 为应力计算的准则。我们举YL型烟机比较常用的申890轮盘与配套叶片进行 说明，该榫齿、榫头尺寸理论接触数值见表 1。2.2 接触不良产生原因及对叶片寿命的影响 在较长周期使用后，由于用户在转子修复时齿型尺寸控制不好，或者由于催化 剂对接触面的磨损等原因，很容易产生榫齿与榫槽接触面积减小，导致二者匹 配性不好，影响烟机的长周期稳定运行，甚至造成叶片断裂。申890轮盘与配 套叶片设计榫齿接触面长度为51.2mm，如果接触长度低于这个数值，挤压、 弯曲和剪切应力就会比设计值高，拉伸应力也可能因为接触面的变化而产生不 均匀分布。叶片强度在结
9、构和受力上必然有它的特殊性。叶片榫头在设计时一般取安全系数为 2，如果我们假设齿面接触长度仅有总长度的 50%，小于设计值（总长度 的 80%），也不会产生问题。但当接触区长度小于 50%时，由于应力增大，产生疲劳断裂的概率就会增加。而且在烟机长期运行过程中，外加应力在正常范 围内的波动是难免的，对于榫头齿面接触不良的叶片，应力就可能超过允许值 而引起疲劳断裂。在应力水平最高的部位产生疲劳裂纹萌生、扩展，最后导致 断裂。疲劳裂纹的萌生和扩展是一个缓慢的过程，断裂前虽然叶片是在榫头带 有裂纹的情况下运行，但烟机各项运行指标不会受到明显的影响，依然正常运 行，从外部参数上根本看不出任何变化，因此，
10、裂纹萌生到叶片断裂经过了相 当长的时间而没有被发现。当裂纹扩展到应力强度因子与材料的断裂韧度值相 等时，断裂就会突然发生。目前,YL型烟机轮盘榫槽和动叶片榫齿除了采用合理的工艺路线、专用工装夹 具和精密的加工设备保证零件的加工精度外，还加入了轮盘榫槽研磨工艺和动 叶片榫齿抛丸强化处理工艺，进一步保证叶片榫齿和轮盘榫槽的的良好接触， 同时榫齿抛丸处理还能够有限改善烟机动叶片榫齿的常温和高温疲劳性能，提 高设备的安全运行稳定性。3 激光熔敷对叶片基体组织的破坏 由于烟机动叶片材料及使用环境的特殊性，有些厂家在对动叶片修复时缺乏相 应的判别能力和修复技术，这也是造成 20052006 年烟机动叶片频
11、繁断裂的 一个很重要的因素。这里要特别提出的是激光熔覆技术的应用，近年来随着烟 机部件修复技术的发展，出现了激光熔敷修复技术。对于该项技术，我们认为 其不能增加零件的强度，只能够恢复零件的形状，其属于金属热加工，很容易 形成沿晶裂纹和熔敷层中的缺陷，在母材与熔敷物结合区域也容易存在微裂纹、 这将为以后的裂纹扩展造成叶片断裂事故留下隐患。3.1 激光熔敷后断裂叶片金相组织面是国内某炼油厂动叶片断裂后金相组织分析情况，该叶片裂纹起始于叶片 进气边处，将断裂的叶片断裂源区制成金相试样，如图 7 所示。此处的熔敷层厚度大约为3mm （基体组织到进气边）。因此，疲劳裂纹起始于 熔敷层，扩展的初期也是在熔
12、敷层。在熔敷层内还存在着两条长约 9mm 和 8mm 的裂纹，其中一条裂纹与断裂面贯通如图 8 所示。在基体与熔敷层的连 接面上发现有多条沿晶裂纹如图 9 所示，有的裂纹已经扩展，扩展长度约 4.5mm。沿晶裂纹是在熔敷过程中形成的热裂纹，如果使用中裂纹在熔敷层内 扩展就有成为断裂源的可能。在所观察的其他未断裂解剖叶片金相试样中，都无一例外的发现有大量的沿晶裂纹。沿晶裂纹起始于基体表面，裂纹在基体表面最宽，向基体内部扩展2 3 个晶粒，向熔敷层扩展0.13mm。所观察到的沿晶裂纹应是在熔敷中形成的 热裂纹，而不是使用中因腐蚀、应力腐蚀、疲劳等形成的裂纹。3.2 激光熔敷中的缺陷激光熔敷中的主要
13、缺陷是疏松、夹杂和裂纹。有的疏松或夹杂尺寸达申0.8mm, 并伴有裂纹如图10所示。有的裂纹长度已经大于4mm。有些裂纹是埋藏型裂 纹，有些已露出表面成为表面裂纹。这些裂纹是随机分布的，当这些缺陷位于 叶片使用中的最大应力处时，就极有可能成为断裂源。4 结论4.1 要有效地防止催化剂对烟机叶片的冲蚀破坏 要有效地防止催化剂对烟机叶片的冲蚀破坏，必须保证烟气中催化剂浓度、粒 度在标准要求的范围内，其中特别重要的是大颗粒催化剂浓度。在运行的过程 中要密切监测烟机前旋风分离器的工作状况，必要时可在烟机前水平管道上安 装催化剂粒度和浓度监测设备，随时监测。同时注意在装置开工不稳定的时候 不要轻易将烟机
14、并入装置，在检修时，要注意检查叶片涂层是否完好，保证叶 片合理的型线。从而保证烟机长周期、安全稳定地运行。4.2 要保证叶片榫头齿面和涡轮盘榫槽接触良好在转子长周期使用后或者在修复时要检查叶片榫齿与轮盘榫槽榫齿与榫头的接 触情况，为了防止榫齿局部产生应力超标导致断裂，通过尺寸检查、配研检查 的方法，严格保证各齿的接触面积达到设计要求，保证烟机长周期安全稳定的 运行。4.3 谨慎使用激光熔敷技术激光熔敷中产生的缺陷也会导致叶片出现微裂纹，并扩展导致叶片断裂。激光 熔敷属于金属热加工，目前还未看到有权威机构对此项技术实施后的结果如何 的相关资料，我们认为能否将该技术应用在烟机的修复中还需要做大量的工艺 试验，优化相关的工艺措施，并做工艺评定。目前我们不建议对于轮盘和动叶 片使用激光熔敷修复。其余静止部件，激光熔敷修复时也应该比较谨慎，要充 分考虑熔敷部位、零件的损害程度及零件的其余理化检验结果。参考文献：1叶锐曾烟机防护涂层的回顾与展望D 中国催化裂化能量回收系统技 术发展研讨会论文集 .中国石油化工集团公司设备设计技术中心站， 2002：24 -31.*基金项目：甘肃省科技资助项目（编号：1206GTGA014）
烟气轮机动叶片损坏常见情况分析及解决措施
