影響葉輪使用壽命的因素是多樣的,和葉輪的選材、制造、使用環境及加載速度有關,有時是幾種因素綜合作用的結果,所以破壞斷裂機理也是復雜的。下面九洲風機淺析風機葉輪斷裂的可能性:
(1)應力腐蝕斷裂應力腐蝕破壞斷裂是不銹鋼破壞斷裂的一種常見形式,不僅遍及采用不銹鋼的化工、石油、動力、航空、原子能等工業部門,而且遍及耐腐蝕的幾乎所有常用的鋼種和合金。風機葉輪就屬不銹鋼應力腐蝕1破壞斷裂。但不銹鋼應力腐蝕破壞斷裂是在一定的條件下發生的,敏感的合金(材料因素)、特定的介質(環境因素)和靜拉伸應力(力學因素)是不銹鋼產生應力腐蝕的幾個基本條件。
九洲風機對本文分析的風機轉子,從幾個基本條件看,不能排除應力腐蝕的可能,但根據對照分析,斷裂前后使用的其它轉子,材料和環境都是相同的,卻沒有發現任何應力腐蝕的跡象;在力學因素中,工作應力與制造過程中的殘余應力相比,工作應力占主要作用;對原始缺陷而言,檢修時都發現面有多條裂紋。因此,應力腐蝕造成葉輪斷裂的可能性較小。
(2)脆性斷裂脆性斷裂和溫度密切相關,統計表明,許多事故都發生在低溫工作的構件中。但這并不是說,只有低溫才會發生脆性斷裂。
影響材料脆性斷裂的因素相當多,有些文獻將這些因素分為工程、機構和冶金因素三大類。在一個結構中究竟那些因素對脆性斷裂起決定作用還難以確定,無法找到一個單一的作為結構有無脆性危險的判據,臨界轉變溫度法只不過是一種帶有廣泛經驗性的判據。從本文的葉輪斷口看,既可能是脆性斷裂和腐蝕破壞斷裂,也可能是疲勞破壞斷裂。但從三個方面分析,我們可以排除脆性斷裂:一是葉輪使用的材料00Cr17Ni14Mo3為奧氏體心立方晶格韌性材料(延伸率=50),較之體心立方晶格材料,不易發生脆性斷裂:其次是環境溫度,工作溫度為70℃,高于材料的臨界轉變溫度;最后是對比分析,同樣材料制造的葉輪,事故后使用至今仍完好。即使是在焊接中存在缺陷,以及所造成的材料的局部脆化,在交變載荷作用下,裂紋擴展以至失穩斷裂也不應理解為脆性斷裂,應按疲勞斷裂考慮。
金屬結構中的某些薄弱環節經常會在結構的面首先形成裂紋,該風機在運行檢修中也曾發現面出現多條裂紋,最大的長度達8mm左右,檢修人員采取焊接后打磨的方法來消除裂紋。風機在運行過程中,由于振動產生的動應力,是造成裂紋產生和擴展的原因。但裂紋的萌生和擴展直至斷裂是有一定過程的,影響葉輪壽命的因素可以用一個公式示:dadN=f(Ρ、a、c、e)式中a原始裂紋長度N總的循環次斷Ρ應力c與材料、工藝制造等有關常數e使用環境、條件、溫度等影響因素在應力水平、材料和使用環境一定的情況下,原始裂紋的大小對葉輪疲勞壽命影響很大<8>。如果材料本身以及制造過程中存在缺陷,往往導致葉輪在短期內失效。根據文中分析的葉輪,我們可以估計原始缺陷的大小。
事故主要原因及改進措施從上面的分析可知,制造中特別是焊接裂紋缺陷、漏檢和監控措施不力是造成這次事故的主要原因。據此九洲風機采取了以下改進措施:
(1)加強葉輪原材料檢驗,除面缺陷檢驗外,應用超聲波或射線方法檢查材料可能存在的內部缺陷。
(2)用疲勞強度理論和斷裂失效理論對風機進行可靠性分析,并以此計算得出葉輪的最大原始面裂紋尺寸和深埋裂紋尺寸。
(3)加強焊接工藝的監控,嚴格執行焊接工藝流程,嚴格限制焊縫金屬中的S、P等雜質元素的含量。推薦用短弧焊,低線能量、窄焊道技術等,提高熔池的冷卻速度。如采用手工電弧焊,要求焊前預熱和焊后熱處理。
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