離心風(fēng)機(jī)葉輪飛裂原因分析E浙江大學(xué)金濤汪希萱云南工業(yè)大學(xué)胡明輔摘要針對(duì)一離心式尾氣風(fēng)機(jī)葉輪飛裂事故,在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和理論分析的基礎(chǔ)上,分析了葉輪斷裂的幾種形式及產(chǎn)生原因，采用排除法，認(rèn)為焊接缺陷是造成事故發(fā)生的主號(hào)原因，提出了改進(jìn)措施關(guān)鍵詞離心式通風(fēng)機(jī)葉輪失效電，所以失效的根源在于運(yùn)動(dòng)過程中葉輪白電，所以失效的根源在于運(yùn)動(dòng)過程中葉輪白斷裂失效，最后引發(fā)前盤連同葉片的裂解一事故發(fā)生后,由于無人員傷亡,廠里對(duì)原因沒有采取取證分析,僅拍攝了破裂葉車分照片，葉輪碎片連同剩余部分賣給了一9廠，給分析事故原因帶來了極大的困難。-我們根據(jù)風(fēng)機(jī)的制造、運(yùn)行、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和有論,采用排除法對(duì)這一事故的定性分析3風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)及破壞狀況事故風(fēng)機(jī)為某三聚磷酸鈉廠噴霧塔尾氣風(fēng)機(jī)，電機(jī)功率610kW,通過聯(lián)軸節(jié)帶動(dòng)葉輪以1450r/min的速度旋轉(zhuǎn)將尾氣排除，風(fēng)量11X104m3/h,進(jìn)出口風(fēng)壓差11kPa,葉輪直徑2180mm。尾氣主要成分為一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、水蒸氣和五氧化二磷（P2O5）,溫度70Co由于風(fēng)機(jī)在大檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)原葉輪表面有細(xì)小裂紋且振動(dòng)過大,重新制造了葉輪更換后投入使用126天之后發(fā)生飛裂事故，葉輪前盤飛出機(jī)殼,撞穿廠房墻壁，在空中飛行了50m遠(yuǎn),直接2宏觀分析圖1風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)葉輪由前盤、后盤和焊于它們之間的葉片組成（圖1），材質(zhì)為00Cr17Ni14Mo:后前盤連同大部分葉片整個(gè)飛出，后盤』好。脫離點(diǎn)均在葉片與端蓋的焊縫連接處對(duì)事故的調(diào)查發(fā)現(xiàn),大部分葉片連同前盤撕裂飛出，撞開蝸殼后又一起擊穿廠房鋼筋混凝土圖1風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)葉輪由前盤、后盤和焊于它們之間的葉片組成（圖1），材質(zhì)為00Cr17Ni14Mo:后前盤連同大部分葉片整個(gè)飛出，后盤』好。脫離點(diǎn)均在葉片與端蓋的焊縫連接處E收稿日期:1998—06—17事故形式破壞形式或塑性r常在體心立斷裂屬穿晶脆拉許疲勞斷裂（2）氫脆破壞斷裂事故形式破壞形式或塑性r常在體心立斷裂屬穿晶脆拉許疲勞斷裂（2）氫脆破壞斷裂,因氫滲入鋼件內(nèi)部而在應(yīng)蠕變破壞斷裂嬸熱疲勞破壞斷裂譬然發(fā)斷裂。解方低溫和高應(yīng)力應(yīng)變的方晶格發(fā)生沿晶斷裂由于某種原因弱化了晶界后發(fā)生的4、54失效原因分析葉輪的幾種破壞形式及產(chǎn)生原因見表11。表1產(chǎn)生原因在載荷作用下，晶體首先發(fā)生彈性變時(shí)某發(fā)生值步發(fā)生斷裂前沒有或只有少量塑性變形，斷裂脆性斷裂環(huán)境破壞特殊破壞宣斷裂（——411延性斷裂根據(jù)拍攝照片和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，斷口呈平齊狀，無塑性變形的跡象，而且電機(jī)也無過速和超載的情況。一個(gè)重要的事實(shí)：制造材料是由廠里提供給制造廠的，原計(jì)劃制造2只葉輪，由于廠方改換了制造廠，制造了另一只葉輪安裝使用至今。因此，可以排除延性斷裂形式，這個(gè)事實(shí)為事故的分析提供了一定的依據(jù)412蠕變、氫脆和熱疲勞斷裂從風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況分析，使用溫度為70C，介質(zhì)微腐蝕，無氫離子存在。因此，可以排除蠕變、氫脆和熱疲勞破壞斷裂413應(yīng)力腐蝕和脆性斷裂90年代以來，國內(nèi)曾出現(xiàn)了數(shù)起風(fēng)機(jī)葉輪飛裂的事故2、3，從事故原因看，既有疲勞斷裂，也有應(yīng)力腐蝕破壞斷裂3。由于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(huán)境及加載速度有關(guān)，有時(shí)是幾種因素綜合作用的結(jié)果，所以破壞斷裂機(jī)理也是復(fù)雜的。下面分別分析三種斷裂的可能性：（1）應(yīng)力腐蝕斷裂應(yīng)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(dòng)力、航空、原子能等工業(yè)部門，而且遍及耐腐蝕的幾乎所有常用的鋼種和合金。文獻(xiàn)3中的風(fēng)機(jī)葉輪就屬不銹鋼應(yīng)力腐蝕破壞斷裂。但不銹鋼應(yīng)力腐蝕破壞斷裂是在一定的條件下發(fā)生的4、5，敏感的合金（材料因素）、特定的介質(zhì)（環(huán)境因素）和靜拉伸應(yīng)力（力學(xué)因素）是不銹鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的幾個(gè)基本條件^對(duì)本文分析的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子，從幾個(gè)基本條件看，不能排除應(yīng)力腐蝕的可能，但根據(jù)對(duì)照分析,斷裂前后使用的其它轉(zhuǎn)子，材料和環(huán)境都是相同的,卻沒有發(fā)現(xiàn)任何應(yīng)力腐蝕的跡象；在力學(xué)因素中，工作應(yīng)力與制造過程中的殘余應(yīng)力相比，工作應(yīng)力占主要作用；對(duì)原始缺陷而言，檢修時(shí)都發(fā)現(xiàn)表面有多條裂紋。因此，應(yīng)力腐蝕造成葉輪斷裂的可能性較?。?）脆性斷裂脆性斷裂和溫度密切相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，許多事故都發(fā)生在低溫工作的構(gòu)件中。但這并不是說，只有低溫才會(huì)發(fā)生脆性斷裂。影響材料脆性斷裂的因素相當(dāng)多，有些文獻(xiàn)將這些因素分為工程、機(jī)構(gòu)和）臺(tái)金因素三大類。在-個(gè)結(jié)構(gòu)中究竟那些因素對(duì)脆性斷裂起決定作用還難以確定，無法找到一個(gè)單一的作為結(jié)構(gòu)有無脆性危險(xiǎn)的判據(jù)，臨界轉(zhuǎn)變溫度法只不過是一種帶有廣泛經(jīng)驗(yàn)性的判據(jù)6。從本文的葉輪斷口看（現(xiàn)場(chǎng)照片），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(gè)方面分析，我們可以排除脆性斷裂：一是葉輪使用的材料00Cr17Ni14Mo3為奧氏體鋼面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(fā)生脆性斷裂:其次是環(huán)境溫度,工作溫度為70C,高于材料的臨界轉(zhuǎn)變溫度；最后是對(duì)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(kuò)展以至失穩(wěn)斷裂也不應(yīng)理解為脆性斷裂，應(yīng)按疲勞斷裂考慮414疲勞斷裂在交變載荷的作用下。金屬結(jié)構(gòu)中的某些薄弱環(huán)節(jié)經(jīng)常會(huì)在結(jié)構(gòu)的表面首先形成裂紋,該風(fēng)機(jī)在運(yùn)行檢修中也曾發(fā)現(xiàn)表面出現(xiàn)多條裂紋，最大的長度達(dá)8mm左右，檢修人員采取焊接后打磨的方法來消除裂紋。風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中,由于振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力,是造成裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的原因。但裂紋的萌生和擴(kuò)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(gè)公式表c、e)式中a——原始裂紋長度N總的循環(huán)次斷P-一應(yīng)力c——與材料、工藝制造等有關(guān)常數(shù)e——使用環(huán)境、條件、溫度等影響因素在應(yīng)力水平、材料和使用環(huán)境一定的情況下，原始裂紋的大小對(duì)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(dǎo)致葉輪在短期內(nèi)失效。根據(jù)文中分析的葉輪,我們可以估計(jì)原始缺陷的大小41411初始裂紋尺寸估算7、8葉輪焊縫處的最大應(yīng)力，由輪盤強(qiáng)度公式計(jì)算得P=214116MN/m2;材料的KC=46,p=28916MN/m2。風(fēng)機(jī)實(shí)際僅使用了126天就發(fā)生飛裂,風(fēng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速為1450r/min,由此可求出葉輪失效的總循環(huán)次數(shù):Nf=263088000次臨界裂紋尺寸按下式求得：ac=擊(.”聲)2=1L713(mm)Itnax式中CI——應(yīng)力強(qiáng)度因子系數(shù),6=1.12由帕里斯公式：Ja。daN=%C(HK)m積分后可得裂紋擴(kuò)展壽命的表達(dá)式

a(1-m⑵-a“(1-m/2)N=(1-m/2)C(HPmn/2Cm式中C、m——帕里斯公式中的系數(shù)和指數(shù)，C=1.0138X010,m=4.1694a0——初始裂紋尺寸,mmHP-一交變應(yīng)力幅,MPa現(xiàn)已知循環(huán)次數(shù)0廠臨界裂紋尺寸ac,反過來可以求得初始裂紋:a0=2113mm。由于風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中的振動(dòng),使裂紋在動(dòng)應(yīng)力下擴(kuò)展，從而導(dǎo)致振動(dòng)疲勞，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定9,最大動(dòng)應(yīng)力總是出現(xiàn)在葉輪的前盤靠近輪轂處這也與葉輪飛裂的部位相同初始裂紋通常出現(xiàn)在焊縫處，一般可以估計(jì)，裂紋主要是由于焊接缺陷造成的。焊接缺陷包括:未焊透、未熔合、裂紋、夾渣、氣孔、咬邊、燒穿和成形不良等，其中裂紋是最危險(xiǎn)的焊接缺陷。象未焊透、未熔合、夾渣、氣孔、咬邊、燒穿也可以理解為焊縫材料上的表面裂紋和深埋裂紋5。41412焊接裂紋產(chǎn)生的原因焊接裂紋根據(jù)裂紋形成的條件和溫度，分成在固相線附近形成的熱裂紋和構(gòu)件冷卻后形成的冷裂紋。不銹鋼焊縫焊好后，都要進(jìn)行酸洗、鈍化處理。鉻鐐奧氏體不銹鋼焊后變形和收縮都比低碳鋼大，產(chǎn)生熱裂紋的原因，主要是存在于奧氏體晶界上低熔點(diǎn)雜質(zhì)，使焊縫在它的結(jié)晶期內(nèi)受到拉應(yīng)力的作用，柱狀晶體的接合被破壞。奧氏體不銹鋼在45廠850C的加熱時(shí)間越長，晶間腐蝕5事故主要原因及改進(jìn)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(jiān)控措施不力是造成這次事故的主要原虱據(jù)此我們采取了以下改進(jìn)措施加強(qiáng)葉輪原材料檢驗(yàn)，除表面缺陷檢驗(yàn)外，應(yīng)用超聲波或射線方法檢查材料可能存在的內(nèi)部缺陷。用疲勞強(qiáng)度理論和斷裂失效理論對(duì)風(fēng)機(jī)httpJWwwcnki.ncr進(jìn)行可靠性分析，并以此計(jì)算得出葉輪的最大原始表面裂紋尺寸和深埋裂紋尺寸加強(qiáng)焊接工藝的監(jiān)控，嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝流程,嚴(yán)格限制焊縫金屬中的S、P等雜質(zhì)元素的含量。推薦用短弧焊，低線能量、窄焊道技術(shù)等，提高熔池的冷卻速度。如采用手工電弧焊,要求焊前預(yù)熱和焊后熱處理8。對(duì)采用新的鋼種、焊材必須進(jìn)行嚴(yán)格的焊接工藝評(píng)定，必要時(shí)應(yīng)用微型剪切試驗(yàn)新技術(shù)，對(duì)焊接接頭的常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和分析;焊后應(yīng)對(duì)焊縫進(jìn)行缺陷探彳傷使用過程中，對(duì)過大及異常的振動(dòng)應(yīng)引起注意，不定期地測(cè)量葉輪的振動(dòng)情況，振動(dòng)超標(biāo)時(shí)，應(yīng)對(duì)葉輪做動(dòng)靜平衡校驗(yàn)，在焊接平衡塊后，應(yīng)消除殘余應(yīng)力大修時(shí)應(yīng)對(duì)葉輪產(chǎn)生的裂紋做全面檢查，特別是在應(yīng)力集中的地方和內(nèi)部裂紋參考文獻(xiàn)1胡世炎破斷故障金相分析國防工業(yè)出版社，19792趙劫民.離心式通風(fēng)機(jī)葉輪飛裂的原因分析及改進(jìn)措施風(fēng)機(jī)技術(shù),1993;(3):19—27白書欣等風(fēng)機(jī)失效分析機(jī)械工程材料，31996;20(1):5廠52陸世英等.不銹鋼應(yīng)力腐蝕事故分析與耐應(yīng)4力腐蝕不銹鋼原