催化裂化裝置主風機葉片裂紋原因分析及對策

陶 濤

(中國石化勝利油田分公司石油化工總廠，山東 東營 257000)

重油催化裂化裝置主風機檢修中發現一級葉輪的葉片出現裂紋，返回原制造廠進行進一步的檢查和修理。由于全廠生產需要，重油催化裂化裝置主風機必須按計劃日期開機，制造更換新的一級葉輪工期不夠，與制造廠協商采用補焊的方法進行修復，以應生產之急需。討論制定了比較可靠的技術方案，采取措施確保施工質量，實現一次焊接合格，達到預期的修復目標。本文對葉片產生裂紋的原因，葉片焊接修復工藝及應注意的問題進行了討論。

1 主風機組概況

主風機組由煙氣輪機、主風機、增速箱、電動發電機組成，具體參見圖1。

主風機為離心式壓縮機，其工藝參數見表1。

圖1 主風機機組(mm)

2 主風機轉子檢查情況

該轉子有三級葉輪,參見第119頁圖2。經檢查和測量，三級葉輪和主軸的徑向跳動和端面跳動皆合格，第二級和第三級葉輪皆未發現超標的缺陷。第一

表1 主風機的工藝參數

級葉輪有兩片葉片出現裂紋，第一片葉片(簡稱葉片1)的裂紋貫穿，裂紋長度約100 mm,參見圖3和圖4；第二片葉片(簡稱葉片2)的裂紋長度約15 mm,參見圖5。葉輪和葉片的材料皆為FV520B,葉片與輪盤、輪蓋皆為焊接結構。

圖2 主風機轉子

圖3 葉片1裂紋(入口方向看)

圖4 葉片1裂紋(葉片方向看)

3 葉片產生裂紋的原因分析

FV520B不銹鋼是英國Firth Viehers材料研究所在原有FV520不銹鋼的基礎上開發的一種新型低碳馬氏體沉淀硬化不銹鋼。該材料具有易于加工、強度高、韌性良好、耐腐蝕性優良和可焊性好等優點，被廣泛應用于齒輪、軸、葉片、轉子等工業零部件的制造。FV520B不銹鋼的力學性能對熱處理敏感。

圖5 葉片2裂紋

1) 離心壓縮機葉輪上的葉片，在葉輪高速旋轉的過程中，要承受較高的離心力，還會受到振動、氣流脈動、氣流和外物的沖擊等交變載荷的激振作用，加上焊接處的物理力學性能的變化，葉片可能會在遠低于材料的屈服強度的應力水平下發生疲勞斷裂。

2) 焊接工藝會在焊接構件中產生較大的焊接殘余應力，會降低焊接構件的力學性能。

3) 由于三元流葉片的葉型復雜，葉片焊接過程中如果強制組對，會增加殘余應力。

4) 焊后熱處理是消除焊接構件殘余應力，改善組織性能的有效措施。由于葉輪的形狀比較復雜，加之焊接與熱處理時序、熱處理工藝等影響，各個葉片焊后的組織和力學性能有一定的差異。

5) 由于三元流葉片的葉型復雜，葉片與輪盤、輪蓋的組焊存在偏差等，葉片的受力狀態存在差異。

6) 兩片葉片的裂紋皆存在于焊趾附近，即焊縫與母材的交界處，這主要是由于焊接高溫及熔池凝固時導致附近材料的物理力學性能發生了較大的變化，加之界面過度引起應力集中，使疲勞裂紋易于在位向有利的晶粒處萌生[1]。

4 葉片裂紋的焊接修復

4.1 葉片1的焊接修復工藝

4.1.1 修葉片錯口

手工修葉片錯口，允許熱修，火焰局部加熱，加熱溫度不超過520 ℃，加熱過程需用紅外線檢測葉片加熱部位的溫度。要將錯口矯正到自由狀態，避免強制組焊。

4.1.2 100 mm長裂紋缺陷正面補焊工藝

100 mm長裂紋缺陷采用雙面成型工藝。

為減少焊接變形，100 mm長裂紋缺陷可分2次～3次分別磨坡口，每次按如下工藝焊接：

1) 打磨：清理打磨裂紋缺陷，用砂輪或指型銑刀(Φ6 mm)，磨出單邊坡口，注意裂紋端部磨凈。

2) 探傷:著色探傷坡口沒有裂紋。

3) 清理:焊接部位不允許有油污、灰塵及探傷痕跡。

4) 預熱:葉輪補焊部位用乙炔火焰局部預熱至200 ℃，保溫20 min～30 min。

5) 焊接:采用氬弧焊工藝焊接，對于氬弧焊焊接不到的部位采用手工電弧焊補焊。焊絲：FV520BΦ1.6 mm。補焊焊道，正接，電流90 A～125 A，電壓11 V～13 V，焊接速度90 mm/min～120 mm/min,道間溫度150 ℃～200 ℃。回火焊道，正接，電流110 A～125 A，電壓12 V～13 V，焊接速度80 mm/min～110 mm/min,道間溫度150 ℃～200 ℃。

6) 焊后用氧乙炔火焰對焊縫部位局部加熱250 ℃～300 ℃，保溫20 min～30 min，緩冷。

7) 打磨：仔細打磨補焊部位，并對焊接部位拋光處理。

8) 焊縫表面探傷合格。

4.1.3 100 mm長裂紋缺陷背面補焊工藝

100 mm長裂紋缺陷采用雙面成型工藝。

1) 清理：清理打磨背部焊縫。

2) 探傷：著色探傷合格。

3) 預熱：葉輪補焊部位用乙炔火焰局部預熱至200 ℃，保溫20 min～30 min。

4) 焊接：采用手工電弧焊焊接。焊條680 S，Φ3.2 mm，焊接電流60 A～100 A，焊條預熱溫度350 ℃ 2 h。

5) 焊后用氧乙炔火焰對焊縫部位局部加熱250 ℃～300 ℃，保溫20 min～30 min，緩冷。

6) 打磨：仔細打磨補焊部位，并對焊接部位拋光處理。

7) 焊縫表面探傷合格。超聲波復探焊縫合格。

4.2 葉片裂紋的焊接修復應注意的問題

葉片的補焊應注意，避免強制組焊；每層焊完之后，要檢查并消除裂紋，再進行焊接。盡力保證一次焊接合格，避免返工降低焊縫和熱影響區母材的力學性能。

FV520B鋼葉輪，焊后固溶化能消除焊接高溫引起的殘余應力，改善焊接部位的微觀組織和力學性能，提高抗拉伸性能和抗疲勞性能。

調質和時效熱處理工藝能夠優化FV520B鋼的內部組織結構，形成細小均勻的回火馬氏體和彌散析出的第二相組織，提高FV520B鋼的綜合力學性能。時效溫度升高，焊縫的強度、硬度有所降低，但塑性、韌性變得更好。

如果條件允許，且能夠有效控制葉輪的變形，可采取整體熱處理，改善葉輪的微觀組織，提高葉輪整體力學性能。

5 延長葉輪壽命

決定葉輪疲勞壽命的工作應力有兩個，即穩態應力水平和交變應力水平。任何一個應力水平過高，都會導致疲勞壽命降低；降低穩態應力水平可以通過結構優化設計來實現，降低交變應力水平主要靠運行管理來控制。

此葉輪的結構已經確定，其穩態應力水平主要取決于轉速。交變應力水平取決于負荷的波動，包括轉速的波動。該機組中，主風機由煙氣輪機和電動機共同驅動，再生器對主風需求的變化，導致主風機負荷的變化；再生器煙氣流量、壓力、溫度的變化，都將導致煙氣輪機輸出功率的變化;由于電動機為異步電機，煙氣輪機輸出功率的變化將導致煙氣輪機轉速的變化。反再系統的平穩操作，是降低主風機葉輪交變應力的主要因素。

檢修中檢查主風機轉子發現，一級葉輪根部受進氣氣流沖刷明顯，進氣氣流中細小顆粒的沖蝕將降低其疲勞強度。對于空氣中浮塵較重的地區，為減輕進氣氣流對一級葉輪根部的沖蝕，可加裝主風機入口過濾器。

防止主風機喘振，喘振狀態運行易造成葉片的損壞。避免低流量高壓力運行，確保反飛動自保控制系統可靠，及時處理不穩定的運行工況。

優化設計和制造工藝，使葉片的應力分布合理，盡可能消除制造殘余應力，降低材料的缺口敏感性，選取合理的應力安全系數，避免葉輪發生疲勞損壞[2-3]。

4 結語

對于離心式壓縮機，FV520B材料的閉式葉輪，葉片裂紋采用補焊的方法能夠進行修復。但修復后，由于葉輪熱處理條件受限(整體熱處理轉子、葉輪的變形問題等)，焊接部位的金相組織劣化，力學性能降低，抗疲勞損傷的性能降低，難以保證葉輪長期運行的可靠性。因此，葉片裂紋采用補焊的方法進行修復，可以作為應急措施，但為保證機組長期安全可靠運行，應擇機更換葉輪，消除機組安全運行的隱患。

為保證機組的安全可靠性，必需消除葉片產生疲勞裂紋的危險因素。優化設計和制造工藝，保證應力在允許值以下和材料性能穩定，同時，控制機組在設計允許的工況條件下運行，及時處理異常工況，是避免葉輪發生疲勞損壞的基本保障。