離心引風機葉輪的磨損分析及處理措施

孫洛雷

（中國石油大慶石化公司腈綸廠，黑龍江大慶 163714）

0 引言

離心引風機的葉輪磨損是一種較為常見的故障形式，因此在實際工作中，每位工作者都應從內、外兩方面分析其磨損原因，這樣才能得到更加全面、說服力較強的結論，找到科學的處理措施。但導致離心引風機葉輪磨損的內、外部原因有很多，必須注重細節，才能做好此項工作。

1 葉片磨損和斷裂的原因分析

選取一個包含離心引風機葉輪的鍋爐機組項目作為研究對象，經過了解該項目的實際情況發現，在前期調試時電袋除塵器未安裝到位，導致項目調試階段沒有除塵器的輔助，鍋爐燃燒產生煙氣中的大顆粒沒有被排出，造成引風機葉輪嚴重磨損。為了弄清磨損原因，對磨損后的葉輪做進一步分析，發現該鍋爐機組還存在煙氣氣流分布不平衡的現象，通過風機葉片的氣流不均衡，使葉片發生了不均衡磨損，這也是造成磨損的第二個重要原因。

在該項目中，離心引風機葉輪不僅發生了嚴重磨損還發生了斷裂。為了進一步探究導致葉片斷裂的原因，對其進行一系列的研究，如物理與化學性能檢查和分析，分析葉片的材料和硬度，對斷裂部位進行探傷檢查，分析附加涂層的影響等。

1.1 化學成分分析

從葉片磨損和斷裂情況來看，該葉片是受到外力作用而導致的疲勞損壞（圖1）。

圖1 葉片磨損和斷裂情況

1.2 金屬硬度分析

對斷裂的葉片進行硬度分析，選擇焊縫附近的測點2 和測點4，選擇遠離焊縫的測點1 和測點3，測點1、測點2、測點3 和測點4 的硬度分別為為150 HB、129 HB、149 HB、139 HB。為了獲得更加準確的分析結果，本次研究對未斷裂葉片進行了硬度分析，測點位置與斷裂葉片一致，硬度分別為130 HB、140 HB。

按照設備說明書可知該葉片材料為Q390 鋼，經查詢機械手冊得知這種材料的抗拉強度為490～650 MPa，硬度為130～185 HB。將查詢后的結果與硬度分析結果對比可知，該葉輪葉片的硬度符合國家標準。

1.3 滲透檢驗分析

為了進一步分析葉片的斷裂原因，本次研究中還進行了葉片斷裂處的滲透檢驗分析，滲透檢驗位置選擇斷裂處兩側50 mm的范圍。滲透檢驗結果如圖2 所示，該葉片中未發現大的裂紋。

圖2 撕裂葉片滲透檢驗顯示情況

1.4 增加耐磨涂層的影響分析

本次研究選擇專業的實驗室進行了葉片材料化學成分的分析，首先在斷裂處進行金屬取樣，然后送檢。經專業實驗室的檢驗，該葉輪葉片的化學成分符合國家對Q390 鋼的規定。

1.5 葉片疲勞破壞分析

為了檢驗該葉片的疲勞破壞原因，對其進行斷裂特性分析。仔細觀察斷面，發現該斷面斷口平整、存在一些撕裂痕跡，但脆性斷裂是導致該葉片破壞的主要原因，圖中較長的AB 段斷口非常符合疲勞破壞的特征，說明該段受到周期性外力的作用，并促使葉片的薄弱部位發生應力集中的現象，最終形成裂紋，裂紋不斷向周圍擴散（圖3）。當裂紋達到一定程度后葉片突然折斷，AB 段折斷后，在離心力的作用下將BC 段扯開。這也解釋了斷面上存在明顯撕裂痕跡的原因。

圖3 葉片斷裂處情況

從斷口的局部放大圖可以看到，白線下方呈現出一片狹長的光滑區域，這部分區域為疲勞裂紋的源頭（圖4）。白線上方呈現出一片粗糙的區域，這部分區域為最后斷裂區。也就是說，在裂紋源頭處發生了頻繁的載荷作用，使D 區斷面趨于光滑，而瞬間斷裂區域（E 區）的表面比較粗糙。

圖4 葉片斷裂AB 段局部放大圖

與現場的工人溝通后了解到，該機組在安裝時為了提高離心引風機葉輪的壽命，在葉片的迎風面附著了涂層（圖3 中的黑色區域），但涂層與葉片母材的適配性不好，導致葉輪高速旋轉時涂層發生脫落、對葉片造成損害，并且在巨大的力矩作用下，導致葉輪葉片根部的薄弱位置疲勞破裂。受離心力影響，葉片發生撕裂并脫離葉輪，使葉輪的處于不平衡狀態，觸發保護裝置而停車。圖5 為該葉輪葉片的磨損情況。

圖5 引風機葉片磨損情況

此外還要考慮對葉輪造成沖擊的煙塵大顆粒物本身硬度的影響。根據經驗可知，煙塵大顆粒物的硬度直接決定著葉輪葉片的磨損程度，當顆粒物硬度超過葉輪葉片硬度1/2 時，就會對葉片造成劇烈磨損，只有當顆粒物硬度小于葉片硬度1/2 時，對葉片的磨損才比較小。

在葉輪葉片表面附著耐磨涂層是有效降低葉片磨損的方法，但涂層材料研究也是一大難題。葉輪的安裝方式也將影響葉輪的壽命，應從理論與實踐兩方面出發，為其選擇科學、合理的安裝方法。例如，煙塵中顆粒物的沖擊會破壞葉片表面的金屬層，使金屬層脫落加重葉片的磨損，因此進風口的磨損要明顯高于葉片的其他部位，并由進風口向葉輪根部延伸，這時選擇合理的沖擊角度，就能大幅降低葉輪的磨損[2]。

所以，導致葉輪葉片磨損的外部因素主要有煙氣的速度、煙氣中所含顆粒物的硬度與沖擊角度、葉片表面積塵等。葉片的磨損率E 可以用煙氣速度v 的指數函數表示。由于煙氣顆粒物的撞擊，導致煙氣顆粒物附著在葉輪表面，產生積塵現象，隨著時間的增加，積塵不斷變厚變重[3]，破壞了葉輪的原有動平衡，進一步加劇磨損，使葉輪的維修周期變短，即增加了用戶的經濟負擔又會對設備安全造成威脅，在日常工作中應對積塵問題給予一定的重視。

導致葉輪葉片磨損的內部原因主要有材料的硬度、涂層材料的物理與化學性能等，煙塵顆粒物的硬度超過葉片表面硬度1/2 時，將造成葉片的劇烈磨損，因此可以選擇先進的工藝進行葉片表面的強化。例如，在葉片表面附著涂層，氮涂層材料應與葉片材料的性能相匹配，否則在高溫與沖擊作用下涂層很容易脫落進而造成葉片損壞，同時又要保證葉片內部的韌性，以提高葉片的疲勞壽命。

2 措施處理

根據導致磨損的原因，應選擇有針對性的處理措施，才能真正起到延長葉輪使用壽命的作用。在生產實踐中，經常采用的處理措施有以下兩種。

（1）為離心引風機配備先進的除塵設備。現階段的先進除塵方式主要有靜電除塵和潮濕除塵。根據前文提到的導致葉輪磨損的外部因素可知，煙氣中顆粒物的沖擊是導致葉輪磨損的主要原因之一，葉片表面積塵還會破壞葉輪的動平衡，加劇葉輪磨損，加裝先進的除塵設備，能減少煙氣中的顆粒物，減少對葉片的沖擊與積塵的產生，延長葉輪壽命。

（2）提高葉輪葉片的耐磨性。根據前文提到的導致葉輪磨損的內部因素可知，材料的硬度、涂層材料的物理與化學性能是影響葉輪葉片磨損程度的主要原因，隨著材料學的不斷發展，高耐磨性材料越來越普及，如陶瓷耐磨材料。事實證明高耐磨性材料可以大大提高葉輪葉片的壽命[4]，在葉片表面加裝耐磨襯板可以有效保護葉片內部。

3 結束語

離心引風機葉輪的磨損因素分為內、外部兩方面，提高葉輪壽命的措施與科學技術的發展高度相關，只有與時俱進地選擇先進的方法，才能有效處理離心引風機葉輪磨損問題，但一切還要從實際出發，只有找出造成葉輪磨損的真正原因，才能有的放矢地選擇正確的處理措施。