離心式壓縮機葉輪應力腐蝕行為和機理研究

張堯

摘 要：針對離心式壓縮機葉輪，文章對其應力腐蝕行為進行了分析，其中包括應力腐蝕破裂定義、影響應力腐蝕破裂的因素、有關的控制方法等。然后，針對應力腐蝕，探討了與其有關的機理，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），希望能為相關人員提供借鑒。

關鍵詞：壓縮機;應力腐蝕破裂;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，其結構分為兩部分，一部分為轉子結構，另一部分為定子結構。在轉子結構中，還分為葉輪及主軸。就葉輪而言，其構成部分是非常多的，比如葉片及輪盤等;針對定子結構來說，其構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，促進氣體的旋轉，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擴大，擴壓道也會對氣體進行擠壓，導致氣體壓力上升。從中可以看出，通過葉輪的高速旋轉，能實現氣體做功，這是導致氣體壓力上升的關鍵因素。

1 應力腐蝕行為

在離心式壓縮機中，葉輪屬于關鍵部件，其對工作環境有著較高的要求，比如高溫及高轉速等。基于長時間的工作服役，其不但會遭受離心荷載及熱應力等的作用，還會被顆粒雜質進行沖擊，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，導致其葉輪出現損傷的原因，包括疲勞及磨損等作用。被用在天然氣運輸中的壓縮機，其工作介質中一般都存在硫化氫等腐蝕性介質，基于應力及腐蝕介質的作用，很容易出現應力腐蝕破裂現象。

1.1 應力腐蝕破裂定義

針對應力腐蝕破裂來說，其是在應力作用下，比如拉應力及內應力，金屬材料處于指定的腐蝕介質中，因為腐蝕介質同應力一起發生作用，而引起的脆性斷裂問題。基于腐蝕介質環境，在這之中，材料不會出現應力作用，也不會產生應力腐蝕行為，但是材料卻只會被應力作用，如果無腐蝕作用，那么也將不能導致應力腐蝕破裂。就應力腐蝕行為特點來看，其會出現應力腐蝕裂紋，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展的，其還能穿過晶界，進而產生穿晶型開裂線性。針對應力腐蝕裂紋來說，其會持續擴展，會在很大程度上降低其結構性能，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，通常會導致不可估量的損失[1]。

1.2 影響應力腐蝕破裂的因素

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

構件服役中，承擔外加載荷而形成的應力;在生產制造中，致使的殘余應力;因為腐蝕物聚集在裂縫中，致使體積效應，從而形成一定的拉應力，在此基礎上，出現應力腐蝕行為。

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

1.3 應力腐蝕破裂控制方法

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

合理掌控環境。對環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，降低內外環境的溫度差異;對環境介質中存在的氧量及pH值加以有效控制，降低環境中的有害介質含量;添加緩蝕劑，針對金屬表面，需構建一層保護膜，以減少陽極溶解反應，進而有效防止應力腐蝕現象出現。

減小及消除應力。對金屬結構設計進行適當的調整，防止材料的局部應力聚集在一起，避免會導致腐蝕介質聚集的部位，最大限度防止縫隙產生;借助科學的熱處理工藝，徹底消除加工及制造等環節生成的殘余應力。

2 應力腐蝕機理

2.1 陽極溶解型機理

快速溶解機理。有關研究人員認為，對金屬材料而言，其表面的電化學是不平均的，基于腐蝕的介質環境，會促使其表面形成局部電化學腐蝕;基于外加應力的作用，會在表面產生很多細小的裂紋，在裂紋的尖端會使應力聚集在一起，進而讓該區域形成屈服。與此同時，會出現位錯，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，可以實現自催化效應。其認為，當材料表面產生細小裂紋之后，在裂縫內部是保持著活性溶解狀態的，而其外部金屬則是鈍化狀態，進而產生了局部腐蝕電池;同時，因為腐蝕介質會在裂紋內停留，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，關于其應力腐蝕行為，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，通過不斷的發展，該理論得到了充實。當處于腐蝕介質環境時，在不銹鋼表層會形成保護膜，通過應力的作用，促使鋼形成滑移，呈現新的金屬;基于腐蝕介質的影響，出現一定的裂紋，在此之后，金屬表層又產生保護膜;不斷重復這樣的過程，使得裂紋持續向縱深延伸，最后導致材料形成斷裂。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。

應力腐蝕斷裂機理。就金屬表面鈍化膜來看，基于應力及腐蝕介質的作用，會生成局部陽極溶解，從而出現很多空位，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，會形成三向應力，產生微小裂紋。針對裂紋頂端而言，擇優溶解將導致應力聚集在一起，如果應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，促使應力腐蝕裂縫的產生及發展。

2.2 氫致開裂型機理

氣壓理論。這一理論認為：基于腐蝕介質環境，金屬會形成陰極吸氫作用，出現很多氫原子，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上，會產生分子氫，且形成很大的氫壓，再加上外加應力的影響，從而促使材料形成氫致開裂[3]。

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

氫脆理論。因為腐蝕的陰極在發生還原反應時會出現氫原子，當其發展到裂縫尖端金屬內，該區域就會變脆，基于應力作用，就會出現氫致滯后開裂。除此之外，當金屬產生應力腐蝕時，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變作用，氫原子可看作錯位氣團，同錯位共同發展，指出現晶界及第二相質點問題時，氫原子才會聚集到缺陷位置，這會導致材料出現局部硬化現象。借助位錯輸送，會使材料內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環境來看，當發生應力腐蝕行為時，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。通過拉伸應力試驗及循環載荷實驗，對所得的應力腐蝕產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環境中，產生應力腐蝕開裂，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生的應力腐蝕行為，可以看出氫原子在金屬內部，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，在進行預充氫之后，其應力腐蝕門檻值將降低，應力腐蝕速率還會有所增加，達到之前的10倍。

3 結語

就離心式壓縮機來看，其通常是將氣體當作運行介質，憑借葉輪旋轉而形成離心力，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域，比如石油及化工領域，作為重要的設備應用。在離心式壓縮機中，葉輪屬于關鍵部件，其工作環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，還會被顆粒雜質進行沖擊磨損，從而出現不同程度的損傷，如變形等。在這之中，應力及腐蝕環境都會造成應力腐蝕開裂，具有極大的突然性，若是葉輪出現應力腐蝕破裂，通常會造成極大的安全事故。對此，有必要對應力腐蝕行為進行研究，了解葉輪材料在具體環境下的應力腐蝕行為及機理特征，這將促進葉輪的科學設計及制造，實現企業的健康生產，增加其經濟效益。

參考文獻

[1] 潘聚義.離心壓縮機葉輪用鋼X12Cr13應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.離心壓縮機葉輪應力分析及優化[J].內蒙古科技大學學報，2019，36（2）：141-143.

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