楊林，陳立，羅華，王亞軍，劉超，吳敬清，孫雷

中國石油西南油氣田分公司川東北作業(yè)分公司（四川 成都 610021）

某高含硫項目天然氣凈化處理裝置硫磺回收單元生產(chǎn)工藝采用克勞斯法，克勞斯燃燒爐由主風(fēng)機提供燃料空氣。單列硫磺回收單元設(shè)計安裝有3臺主風(fēng)機，其中2臺采用蒸汽透平驅(qū)動，正常生產(chǎn)過程中使用，另1臺采用電機驅(qū)動，主要作為備用風(fēng)機，開產(chǎn)期間和蒸汽透平驅(qū)動風(fēng)機故障時運行。在正常生產(chǎn)過程中，其中1臺透平驅(qū)動風(fēng)機進口IGV導(dǎo)葉閥導(dǎo)葉突然斷裂，斷裂導(dǎo)葉片進入風(fēng)機蝸殼造成葉輪嚴(yán)重受損，風(fēng)機振動聯(lián)鎖停機，工藝操作人員及時啟動備用電驅(qū)風(fēng)機，調(diào)整硫磺回收單元工藝操作，未對生產(chǎn)造成較大影響。

1 主風(fēng)機機組及入口IGV導(dǎo)葉閥原理

硫磺回收單元蒸汽透平驅(qū)動主風(fēng)機組為離心式鼓風(fēng)機組，風(fēng)機出廠日期為2006年1月，2016年投入使用。主要由蒸汽透平、軸承箱、主風(fēng)機、IGV導(dǎo)葉閥、膨脹節(jié)、空氣過濾器及潤滑油系統(tǒng)等幾部分組成，如圖1所示。風(fēng)機出口壓力為0.09 MPa，功率為587 kW，設(shè)計流量為25 943 kg/h，流量通過進口IGV導(dǎo)葉閥進行調(diào)節(jié)。IGV導(dǎo)葉閥葉片是安裝在進氣口葉輪前面的可調(diào)節(jié)角度的擋板，導(dǎo)葉片通過角度調(diào)節(jié)可實現(xiàn)進氣流量大小和進氣流向的控制。IGV導(dǎo)葉閥控制風(fēng)機入口空氣流由軸向流動轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪七M流動，稱之為預(yù)旋，導(dǎo)葉開度與氣流產(chǎn)生預(yù)旋的程度成反比，導(dǎo)葉開度越小，預(yù)旋越強烈，風(fēng)機葉輪入口的壓頭越低，導(dǎo)葉片兩側(cè)壓差越大[1-5]。

圖1 風(fēng)機機組結(jié)構(gòu)簡圖

2 主風(fēng)機IGV導(dǎo)葉閥斷裂導(dǎo)葉片情況

主風(fēng)機IGV導(dǎo)葉閥共9片導(dǎo)葉，形狀呈扇形，圓周均勻分布排列組成整個圓形截面，導(dǎo)葉片材質(zhì)為EN標(biāo)準(zhǔn)牌號G-X5CrNi13 4V，添加少量金屬釩，以改善合金性能。導(dǎo)葉片長約170 mm，葉片根部弧長約140 mm，導(dǎo)葉片厚度約5 mm。斷裂導(dǎo)葉片在距葉片根部約40 mm處斷裂，斷裂面呈弧形，導(dǎo)葉片在斷裂后進入主風(fēng)機蝸殼，與風(fēng)機葉輪發(fā)生碰撞后，導(dǎo)葉片翼尖發(fā)生彎曲變形，如圖2所示。

截取斷裂導(dǎo)葉片部分材料，采用化學(xué)分析法進行材質(zhì)成分測試，結(jié)果見表1。試樣成分滿足標(biāo)準(zhǔn)DIN EN 10283:2010《Corrosion resistant steel castings》要求。在斷裂導(dǎo)葉片上取樣進行布氏硬度測試，試驗執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 231.1—2018《金屬材料布氏硬度試驗第1部分：試驗方法》，硬度平均值為262.1 HB，參考標(biāo)準(zhǔn)DIN_17445:1984《Stainless steel castings:Technical delivery conditions》中對材料硬度的要求，樣品測試的硬度值均在標(biāo)準(zhǔn)要求的240～300 HB范圍內(nèi)。

圖2 IGV導(dǎo)葉閥斷裂導(dǎo)葉片

表1 導(dǎo)葉片材質(zhì)成分測試（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） /%

3 實驗室檢查分析

3.1 斷裂導(dǎo)葉片宏觀外貌

斷裂導(dǎo)葉片外表面沉積較多污漬，打磨清洗部分位置進行觀察，在低倍顯微鏡下觀察形貌如圖3所示，導(dǎo)葉片表面存在較多外形不規(guī)則的腐蝕小坑，初步判斷是導(dǎo)葉片在正常工作中，表面長期沉積有腐蝕性污垢造成的。

進一步觀察斷裂導(dǎo)葉片斷口，沒有宏觀塑性變形，斷口平齊，基本垂直于表面，顏色呈暗灰色。在斷口一側(cè)有一處圓形缺陷，為氧化物夾雜，斷口邊緣存在一個腐蝕坑，如圖4所示。在斷口的一側(cè)可以觀察到倒“人”字花紋，具有脆性斷口的宏觀典型特征。一般情況下，斷口初始裂紋會在材料表面缺口、內(nèi)部缺陷處萌生。此處斷口分別存在一個表面的腐蝕小坑和一個放大20倍可見的夾雜，為了確定初始裂紋的位置和斷口的微觀性質(zhì)，決定使用掃描電鏡對斷口部分位置進一步檢查。

圖3 斷裂導(dǎo)葉片表面形貌

圖4 斷裂導(dǎo)葉片斷口宏觀形貌

3.2 導(dǎo)葉片斷口在電子顯微鏡下外貌

導(dǎo)葉片斷口微觀形貌如圖5所示，裂紋起源區(qū)附近的微觀形貌圖片顯示，斷口微觀形貌基本全部為類似撕裂棱的條形，這種形貌是裂紋在發(fā)展時，沿原奧氏體晶粒內(nèi)的板條狀馬氏體開裂而形成的；裂紋擴展區(qū)可以觀察到部分較小的河流狀形貌，將其放大至1 000倍后，其形貌依舊呈條形狀，呈現(xiàn)較規(guī)整的排列，表示裂紋在此部分?jǐn)U展時，其方向是一致的；裂紋終斷區(qū)內(nèi)分布著大小不一的韌窩，因顯微組織是馬氏體，這類材料的韌性一般相對較差，在發(fā)生韌性撕裂時，很難形成內(nèi)縮頸，導(dǎo)致形成的韌窩變小、變淺。

圖5 導(dǎo)葉片斷口微觀形貌

縱觀整個斷口，在裂紋起源區(qū)和擴展區(qū)，斷口的微觀性質(zhì)以解理斷口為主，同時存在很少量的準(zhǔn)解理斷口，屬于脆性斷口，在終斷區(qū)，微觀形貌基本是大小不一、較淺的韌窩，屬于韌性斷口[6-9]。

3.3 導(dǎo)葉片斷口在光學(xué)顯微鏡下缺陷

在高倍顯微鏡下觀察導(dǎo)葉片斷口形貌，發(fā)現(xiàn)有圓形缺陷，在放大200倍下，缺陷呈圓形凹坑，微觀形貌如圖6（a）所示，直徑約120μm，深度約65μm，外觀規(guī)則呈正圓形，凹坑內(nèi)壁光滑，圖中凹坑中心的亮白點，即為凹坑底部反射光源所形成的。經(jīng)過對比分析，該凹坑缺陷初步判斷是葉片鑄造時，形成的內(nèi)部氣孔；繼續(xù)觀察斷面，又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)有縮松和氣孔缺陷共4個，其中一個縮松缺陷沿斷面厚度方向分布，可觀測的全尺寸為3.54 mm×0.85 mm，如圖6（b）所示，缺陷的一端已經(jīng)接近導(dǎo)葉片表面。

圖6 葉片斷口光學(xué)顯微鏡下缺陷

3.4 斷裂導(dǎo)葉片金相試樣形貌

在斷裂導(dǎo)葉片上截取金相試樣進行觀察，發(fā)現(xiàn)邊緣存在小裂紋，形貌如圖7（a）所示，圖中黑色不規(guī)則的位置，實際為孔洞，孔洞周圍有沿晶界擴展的裂紋，裂紋向內(nèi)擴展總長度約0.2 mm，該位置表面的晶粒已經(jīng)有部分脫落，為晶間腐蝕裂紋。在試樣厚度的靠中心位置，發(fā)現(xiàn)了形狀不規(guī)則缺陷，這些缺陷為聚集不連續(xù)的小尺寸孔洞，是鑄造時形成的縮松，尺寸為1.36 mm×0.65 mm，最大孔深9 μm，如圖7（b）所示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5611—2017《鑄造術(shù)語》，這種缺陷屬于顯微縮松，對于鑄造件，這些缺陷會影響材料的性能。

圖7 導(dǎo)葉片金相試樣裂紋及缺陷

4 導(dǎo)葉片斷裂原因簡析

4.1 導(dǎo)葉片表面沉積物腐蝕

斷裂導(dǎo)葉片表面有沉積污漬，被沉積物覆蓋的地方形成有利于腐蝕發(fā)生的條件，結(jié)合導(dǎo)葉片本身含有較多的夾雜物，容易出現(xiàn)點蝕、晶間腐蝕。導(dǎo)葉片的表面也存在不規(guī)則的晶間腐蝕小坑，可能會引起導(dǎo)葉片失效斷裂。但是，由晶間腐蝕裂紋、點蝕坑引起的開裂，在高倍鏡下觀察，可以觀察到裂紋源到其他方向上的次要裂紋，但該斷裂導(dǎo)葉片未發(fā)現(xiàn)這種情況，說明導(dǎo)葉片斷裂不是由腐蝕引起的[10-13]。

4.2 導(dǎo)葉片制造加工缺陷

在斷裂導(dǎo)葉片的斷口和金相試驗樣截面均可觀察到明顯的鑄造缺陷，如夾雜、縮松、氣孔以及從缺陷周圍延伸出來的沿晶裂紋，如圖6（b）中斷裂導(dǎo)葉片的縮松長度達到3.54 mm，已占到截面厚度的70%，這些缺陷的存在，會影響導(dǎo)葉片受力性能。

4.3 生產(chǎn)工況影響

正常生產(chǎn)狀態(tài)下，風(fēng)機導(dǎo)葉閥葉片要求開度在20°～30°之間，而查閱導(dǎo)葉閥葉片開度趨勢記錄，發(fā)現(xiàn)在斷裂前的一段時間，IGV導(dǎo)葉閥開度僅為2.5°左右，導(dǎo)葉片開度過小，使導(dǎo)葉片受力增大；同時，導(dǎo)葉片開度過小，進氣量小于正常開度下的氣量，主風(fēng)機的功率按正常工況設(shè)定的情況下，會使導(dǎo)葉片后形成負(fù)壓，進一步惡化導(dǎo)葉片受力狀況。

綜上所述，該斷裂導(dǎo)葉片斷口屬于脆性斷口，脆性斷裂的發(fā)生，往往都是應(yīng)力集中處所受的應(yīng)力超過了材料的許用應(yīng)力而導(dǎo)致的。導(dǎo)葉閥在正常開度時，作用于導(dǎo)葉片上的應(yīng)力較低，在導(dǎo)葉片表面腐蝕小坑根部所受的集中應(yīng)力相對于葉片內(nèi)部夾雜處的集中應(yīng)力來說是較低的。造成導(dǎo)葉片斷裂的主要應(yīng)力是來自其本身在鍛造成型、熱處理后形成的內(nèi)應(yīng)力，同時內(nèi)部存在較大尺寸的夾雜，導(dǎo)致夾雜處形成應(yīng)力集中。結(jié)合導(dǎo)葉片所處的主風(fēng)機運行工況，判斷造成導(dǎo)葉片斷裂的主要原因有兩個方面：①導(dǎo)葉片開度遠小于設(shè)計要求，使導(dǎo)葉片受到的外作用力超過正常開度下所受的力；②導(dǎo)葉片內(nèi)部存在的氣孔、縮松、夾雜等缺陷，使導(dǎo)葉片的材料力學(xué)性能減弱。在這兩點原因的共同影響下，裂紋產(chǎn)生，導(dǎo)葉片發(fā)生斷裂[14-20]。

5 結(jié)論

通過對硫磺回收單元主風(fēng)機入口IGV導(dǎo)葉閥原理、工作狀態(tài)下的受力分析，采用不同方式對導(dǎo)葉片的斷口狀況進行實驗室觀察分析，表明導(dǎo)葉片內(nèi)部缺陷和工況條件下的受力增大是造成導(dǎo)葉片斷裂的根本原因。下一步，將對裝置其他主風(fēng)機入口IGV導(dǎo)葉片進行無損探傷檢測，對操作工藝進行優(yōu)化調(diào)整，嚴(yán)格控制風(fēng)機導(dǎo)葉閥葉片開度在20°～30°；對新采購的IGV導(dǎo)葉片質(zhì)量嚴(yán)格把關(guān)，采用抽查方式增加滲透或射線等無損探傷方式，以檢查鑄件內(nèi)部缺陷，保證備件導(dǎo)葉片質(zhì)量合格。