張堯

摘 要：針對離心式壓縮機葉輪，文章對其應(yīng)力腐蝕行為進行了分析，其中包括應(yīng)力腐蝕破裂定義、影響應(yīng)力腐蝕破裂的因素、有關(guān)的控制方法等。然后，針對應(yīng)力腐蝕，探討了與其有關(guān)的機理，如陽極溶解型機理（快速溶解機理、滑移—溶解機理、腐蝕斷裂機理），希望能為相關(guān)人員提供借鑒。

關(guān)鍵詞：壓縮機;應(yīng)力腐蝕破裂;氫致開裂型機理;混合機理

中圖分類號：TG172.9 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）10--02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.10.052

就離心壓縮機而言，其結(jié)構(gòu)分為兩部分，一部分為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，另一部分為定子結(jié)構(gòu)。在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，還分為葉輪及主軸。就葉輪而言，其構(gòu)成部分是非常多的，比如葉片及輪盤等;針對定子結(jié)構(gòu)來說，其構(gòu)成有擴壓器及回流器等。針對離心壓縮機來說，其主要是通過葉輪高速旋轉(zhuǎn)，促進氣體的旋轉(zhuǎn)，基于離心力的作用，會在很大程度上增加氣體壓力，提升氣體速度。在這之后，氣體會到達擴壓器中，會使得通流面積持續(xù)擴大，擴壓道也會對氣體進行擠壓，導(dǎo)致氣體壓力上升。從中可以看出，通過葉輪的高速旋轉(zhuǎn)，能實現(xiàn)氣體做功，這是導(dǎo)致氣體壓力上升的關(guān)鍵因素。

1 應(yīng)力腐蝕行為

在離心式壓縮機中，葉輪屬于關(guān)鍵部件，其對工作環(huán)境有著較高的要求，比如高溫及高轉(zhuǎn)速等。基于長時間的工作服役，其不但會遭受離心荷載及熱應(yīng)力等的作用，還會被顆粒雜質(zhì)進行沖擊，通常會造成多種損傷問題，比如開裂及變形等。對于離心式壓縮機而言，導(dǎo)致其葉輪出現(xiàn)損傷的原因，包括疲勞及磨損等作用。被用在天然氣運輸中的壓縮機，其工作介質(zhì)中一般都存在硫化氫等腐蝕性介質(zhì)，基于應(yīng)力及腐蝕介質(zhì)的作用，很容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕破裂現(xiàn)象。

1.1 應(yīng)力腐蝕破裂定義

針對應(yīng)力腐蝕破裂來說，其是在應(yīng)力作用下，比如拉應(yīng)力及內(nèi)應(yīng)力，金屬材料處于指定的腐蝕介質(zhì)中，因為腐蝕介質(zhì)同應(yīng)力一起發(fā)生作用，而引起的脆性斷裂問題?；诟g介質(zhì)環(huán)境，在這之中，材料不會出現(xiàn)應(yīng)力作用，也不會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕行為，但是材料卻只會被應(yīng)力作用，如果無腐蝕作用，那么也將不能導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕破裂。就應(yīng)力腐蝕行為特點來看，其會出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋，這些裂紋在材料中進行擴展時，一般都是圍繞金屬晶界得以發(fā)展的，其還能穿過晶界，進而產(chǎn)生穿晶型開裂線性。針對應(yīng)力腐蝕裂紋來說，其會持續(xù)擴展，會在很大程度上降低其結(jié)構(gòu)性能，達到一定程度就會造成金屬破裂。所以，其有著較大的突然性及隱蔽性，若是出現(xiàn)，通常會導(dǎo)致不可估量的損失[1]。

1.2 影響應(yīng)力腐蝕破裂的因素

材料形成應(yīng)力腐蝕行為，需要具備應(yīng)力作用，通常而言，拉應(yīng)力能夠致使應(yīng)力腐蝕。同時，對于裂紋延伸方向及應(yīng)力方向來講，二者呈現(xiàn)垂直關(guān)系，而就壓應(yīng)力來說，能夠阻礙應(yīng)力腐蝕。然而，也有研究顯示，在部分特殊情況下，壓應(yīng)力也會造成腐蝕破裂。材料形成應(yīng)力腐蝕破裂，就其應(yīng)力來源來講，一般包括：

構(gòu)件服役中，承擔外加載荷而形成的應(yīng)力;在生產(chǎn)制造中，致使的殘余應(yīng)力;因為腐蝕物聚集在裂縫中，致使體積效應(yīng)，從而形成一定的拉應(yīng)力，在此基礎(chǔ)上，出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕行為。

基于特殊的腐蝕環(huán)境，再加上獨特的金屬，方可形成應(yīng)力腐蝕行為。對于某一金屬，并非全部的腐蝕介質(zhì)均會致使應(yīng)力腐蝕行為。除此之外，存在一系列參數(shù)，可能影響應(yīng)力腐蝕的形成，如酸堿度、環(huán)境介質(zhì)類別等。一般情況下，純金屬難以形成應(yīng)力腐蝕，金屬存在一定的雜質(zhì)，再加上合金，這樣容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕破裂。這主要是由于：當處于腐蝕介質(zhì)環(huán)境時，對于純金屬來講，其不會形成電化學腐蝕，故而不會出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕行為;而在合金中有著較多的成分，基于環(huán)境介質(zhì)，會進一步影響到材料腐蝕性能。另一方面，金屬結(jié)構(gòu)的差異，也可能對應(yīng)力腐蝕造成一定的影響。如奧氏體不銹鋼，當被較弱應(yīng)力作用時，極有可能形成滑移，致使應(yīng)力腐蝕開裂;而對于鐵素體來講，極有可能形成交叉滑移，不易發(fā)生滑移臺階，所以相比之下，較難形成應(yīng)力腐蝕行為。

1.3 應(yīng)力腐蝕破裂控制方法

科學選取材料。若是處于特定的環(huán)境介質(zhì)中，需對有效性開展全面分析，以此為前提，科學選取材料。建議選取還沒有產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的材料，同時應(yīng)進一步增強材料純度，降低冶煉時出現(xiàn)雜質(zhì)及加工不足等現(xiàn)象;對金屬涂層進行分析，在金屬同環(huán)境之間構(gòu)建隔離防護，最大限度防止出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕行為[2]。

合理掌控環(huán)境。對環(huán)境溫度進行合理掌控，若是條件允許時，需盡可能地降低溫度，降低內(nèi)外環(huán)境的溫度差異;對環(huán)境介質(zhì)中存在的氧量及pH值加以有效控制，降低環(huán)境中的有害介質(zhì)含量;添加緩蝕劑，針對金屬表面，需構(gòu)建一層保護膜，以減少陽極溶解反應(yīng)，進而有效防止應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn)。

減小及消除應(yīng)力。對金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計進行適當?shù)恼{(diào)整，防止材料的局部應(yīng)力聚集在一起，避免會導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)聚集的部位，最大限度防止縫隙產(chǎn)生;借助科學的熱處理工藝，徹底消除加工及制造等環(huán)節(jié)生成的殘余應(yīng)力。

2 應(yīng)力腐蝕機理

2.1 陽極溶解型機理

快速溶解機理。有關(guān)研究人員認為，對金屬材料而言，其表面的電化學是不平均的，基于腐蝕的介質(zhì)環(huán)境，會促使其表面形成局部電化學腐蝕;基于外加應(yīng)力的作用，會在表面產(chǎn)生很多細小的裂紋，在裂紋的尖端會使應(yīng)力聚集在一起，進而讓該區(qū)域形成屈服。與此同時，會出現(xiàn)位錯，然后抵達裂紋尖端，形成活性溶解點，進而會讓裂紋尖端發(fā)展成腐蝕的陽極，促進其更快地溶解。除此之外，還有部分研究人員認為，基于陽極溶解理論的前提下，可以實現(xiàn)自催化效應(yīng)。其認為，當材料表面產(chǎn)生細小裂紋之后，在裂縫內(nèi)部是保持著活性溶解狀態(tài)的，而其外部金屬則是鈍化狀態(tài)，進而產(chǎn)生了局部腐蝕電池;同時，因為腐蝕介質(zhì)會在裂紋內(nèi)停留，同金屬表面形成濃差電池，這也進一步促進了陽極的迅速溶解。

滑移—溶解機理。針對奧氏體不銹鋼，關(guān)于其應(yīng)力腐蝕行為，一般借助該機理來進行解釋，起初通過Logan提出滑移—溶解模型，通過不斷的發(fā)展，該理論得到了充實。當處于腐蝕介質(zhì)環(huán)境時，在不銹鋼表層會形成保護膜，通過應(yīng)力的作用，促使鋼形成滑移，呈現(xiàn)新的金屬;基于腐蝕介質(zhì)的影響，出現(xiàn)一定的裂紋，在此之后，金屬表層又產(chǎn)生保護膜;不斷重復(fù)這樣的過程，使得裂紋持續(xù)向縱深延伸，最后導(dǎo)致材料形成斷裂。針對沿晶型斷裂，通過這一機理，可以充分解釋腐蝕開裂情況。

應(yīng)力腐蝕斷裂機理。就金屬表面鈍化膜來看，基于應(yīng)力及腐蝕介質(zhì)的作用，會生成局部陽極溶解，從而出現(xiàn)很多空位，這也形成了錯位移動，讓硬化層更加松弛，在進行塑形的過程中，會形成三向應(yīng)力，產(chǎn)生微小裂紋。針對裂紋頂端而言，擇優(yōu)溶解將導(dǎo)致應(yīng)力聚集在一起，如果應(yīng)力增加將進一步強化材料塑形，讓它在裂紋尖端的周圍，推動其局部進行溶解，促使應(yīng)力腐蝕裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展。

2.2 氫致開裂型機理

氣壓理論。這一理論認為：基于腐蝕介質(zhì)環(huán)境，金屬會形成陰極吸氫作用，出現(xiàn)很多氫原子，隨之進入金屬中;同時，在缺陷的地方聚集，在有效融合氫原子的基礎(chǔ)上，會產(chǎn)生分子氫，且形成很大的氫壓，再加上外加應(yīng)力的影響，從而促使材料形成氫致開裂[3]。

氫降低原子鍵結(jié)合力理論。該理論認為氫原子進入材料內(nèi)，會集中在三向應(yīng)力區(qū)，進而導(dǎo)致金屬原子結(jié)合力下降，在比較小的外應(yīng)力作用下，材料就會出現(xiàn)脆性斷裂。

氫脆理論。因為腐蝕的陰極在發(fā)生還原反應(yīng)時會出現(xiàn)氫原子，當其發(fā)展到裂縫尖端金屬內(nèi)，該區(qū)域就會變脆，基于應(yīng)力作用，就會出現(xiàn)氫致滯后開裂。除此之外，當金屬產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕時，裂縫尖端位置的溶液將進行高度酸化，其pH值也將大幅降低，比如鈦合金的pH值將降到3.5。

位錯輸送理論。這一理論認為基于慢應(yīng)變作用，氫原子可看作錯位氣團，同錯位共同發(fā)展，指出現(xiàn)晶界及第二相質(zhì)點問題時，氫原子才會聚集到缺陷位置，這會導(dǎo)致材料出現(xiàn)局部硬化現(xiàn)象。借助位錯輸送，會使材料內(nèi)缺陷位置的氫濃度快速增加，進而形成強大的氫壓，引起材料脆性斷裂行為。

2.3 混合機理

就近中性pH環(huán)境來看，當發(fā)生應(yīng)力腐蝕行為時，不管是陽極溶解型機理，還是氫致開裂型機理，這兩者都不能單獨做出有效解釋。相關(guān)研究人員提出的二者交互作用機理，深受大部分人的認可。通過拉伸應(yīng)力試驗及循環(huán)載荷實驗，對所得的應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的裂縫速率進行了計算，可以得出，其擴展速率要遠超出通過拉法第定律求出的擴展速率;對此，研究學者認為，在近中性pH環(huán)境中，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，是基于陽極溶解及氫致開裂進行混合后的過程。除此之外，還有人對奧氏體不銹鋼進行了研究，基于電解充氫條件產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕行為，可以看出氫原子在金屬內(nèi)部，雖然在裂尖部位聚集起來，但是其濃度卻在臨界值以下，材料將無法形成氫致開裂;但是，在進行預(yù)充氫之后，其應(yīng)力腐蝕門檻值將降低，應(yīng)力腐蝕速率還會有所增加，達到之前的10倍。

3 結(jié)語

就離心式壓縮機來看，其通常是將氣體當作運行介質(zhì)，憑借葉輪旋轉(zhuǎn)而形成離心力，讓氣壓力及速率有所增加。憑借該特性，離心式壓縮機被普遍運用在多個領(lǐng)域，比如石油及化工領(lǐng)域，作為重要的設(shè)備應(yīng)用。在離心式壓縮機中，葉輪屬于關(guān)鍵部件，其工作環(huán)境是高溫及高壓等條件，基于長時間的工作服役，會被振動載荷及離心荷載等造成影響。除此之外，還會被顆粒雜質(zhì)進行沖擊磨損，從而出現(xiàn)不同程度的損傷，如變形等。在這之中，應(yīng)力及腐蝕環(huán)境都會造成應(yīng)力腐蝕開裂，具有極大的突然性，若是葉輪出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕破裂，通常會造成極大的安全事故。對此，有必要對應(yīng)力腐蝕行為進行研究，了解葉輪材料在具體環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕行為及機理特征，這將促進葉輪的科學設(shè)計及制造，實現(xiàn)企業(yè)的健康生產(chǎn)，增加其經(jīng)濟效益。

參考文獻

[1] 潘聚義.離心壓縮機葉輪用鋼X12Cr13應(yīng)力腐蝕和疲勞特性研究[D].濟南：山東大學，2020.

[2] 顧世堂，侯文英，劉宏偉.離心壓縮機葉輪應(yīng)力分析及優(yōu)化[J].內(nèi)蒙古科技大學學報，2019，36（2）：141-143.

[3] 孫蛟.離心壓縮機葉輪應(yīng)力腐蝕行為和機理的研究[D].濟南：山東大學，2019.