催化裂化煙機葉片斷裂原因分析及改進措施

盧志國 吳世權

（中石油云南石化有限公司，云南 昆明 650300）

0 引言

催化煙機是煉油廠最重要的能量回收設備，它通過將催化裝置產生的高溫煙氣的熱能和壓力能轉化為機械能，來驅動催化主風機，為裝置提供催化反應的空氣[1-2]。煙機一旦出現故障，發生聯鎖停機，將造成催化裝置停工，嚴重影響裝置的安全平穩運行。因此，保證煙機長周期運行是煉油設備管理的重要工作之一。

1 煙機損壞情況

煙機停機前一直正常運行，生產操作也沒有進行較大調整，直到2021-10-06T22：34，所有振動測點幅值均瞬時上漲，由65 μm上升至最大510 μm，觸發聯鎖停機。現場檢查發現催化煙機軸承箱中分面部分螺栓松動，經對煙機進行解體檢查，發現有一片葉片在榫頭處斷裂，相鄰葉片一片葉身斷裂，一片發生彎曲變形，其他部分葉片不同程度受損（圖1）。

圖1 煙機葉片斷裂情況

此煙機轉子共運行兩個周期，檢修前運行13 872 h，檢修后運行6 696 h，共累計運行20 568 h，觀察看葉片表面結垢并不嚴重。

2 煙機動葉片檢驗與分析

2.1 宏觀檢查

如圖2所示，對葉片樣品進行宏觀檢查，葉片斷口具有典型的疲勞斷裂特征，疲勞源位于葉片榫頭第三榫齒根部，榫齒表面有明顯不均勻接觸留下的局部摩擦的痕跡，表面不均勻地附著一些黑褐色氧化物，可見點狀磨損痕跡。

圖2 分析樣品——斷裂葉片葉根

2.2 化學成分分析

分別從葉片樣品上取樣進行化學成分分析，分析表明，葉片的化學成分滿足HG/T 3650—2012《煙氣輪機技術條件》中對GH864合金的要求（表1）。

表1 化學成分分析結果（wt%）

2.3 高溫短時拉伸試驗

分別從葉片樣品上取樣進行高溫短時拉伸試驗，試驗結果表明，葉片的高溫拉伸性能滿足標準的要求值（表2）。

表2 高溫短時拉伸試驗結果

2.4 高溫持久試驗

分別從葉片樣品上取樣進行高溫持久試驗，試驗結果表明，樣品的高溫持久性能滿足標準的要求值（表3）。

表3 高溫持久試驗結果

2.5 夾雜物檢查

對葉片樣品進行非金屬夾雜物觀察，鋼中非金屬夾雜物主要為帶棱角的TiN夾雜，級別為D1.5e。

2.6 金相分析

從葉片的榫頭部位截取金相分析試樣，微觀形貌如圖3所示，金相組織為奧氏體，晶粒大小不均，存在混晶現象。晶粒度為1.5～5級，為混晶組織。

圖3 金相組織

2.7 硬度檢測

對金相試樣進行硬度測試，結果表明，葉片硬度為341～378HV，滿足標準GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》要求（198～390HBW換算為306～402HV）。

2.8 斷口分析

2.8.1 斷口宏觀分析

對斷口進行清洗后的形貌如圖4所示，斷口表面可分為三個區域：1）緩慢疲勞擴展區；2）快速疲勞擴展區；3）失穩擴展區。由疲勞弧線和斷口上放射狀條紋的起始位置可確定疲勞源區位于榫頭第三齒底部的齒面上，為線性源，是多個裂紋幾乎同時萌生于一個齒面上形成的。在裂紋兩側觀察到線狀排列的表面凹坑（圖5）。

圖4 斷口宏觀形貌

圖5 榫頭第三齒齒面形貌

2.8.2 斷口微觀形貌

對清洗后的斷口在掃描電鏡下觀察其微觀形貌，緩慢疲勞擴展區上可見明顯的疲勞裂紋（圖6），而在快速疲勞擴展區內可見為沿晶開裂（圖7），失穩擴展斷口微觀形貌為沿晶+韌窩（少量）形貌（圖8）。

圖6 緩慢疲勞擴展區的疲勞裂紋

圖7 快速疲勞擴展區的沿晶開裂

圖8 失穩擴展斷口微觀形貌

2.9 能譜分析

2.9.1 斷口腐蝕產物

對斷口部位進行腐蝕產物能譜分析，分析結果表明，斷口上的腐蝕性元素主要為O和S。

2.9.2 非金屬夾雜物能譜分析

分別對葉片榫頭上的夾雜物進行能譜分析，分析結果表明，葉片夾雜物主要為TiN脆性夾雜。

3 葉片斷裂原因分析

3.1 主要分析結果

1）宏觀檢查。葉片斷口具有典型的疲勞斷裂特征，疲勞源位于葉片榫頭第三個榫齒根部，榫齒表面有明顯不均勻接觸留下的局部摩擦的痕跡，表面不均勻地附著一些黑色氧化物，在榫齒底部齒面上可觀察到點狀磨損痕跡。

2）化學成分分析。葉片樣品化學成分滿足相關標準的要求。

3）高溫短時拉伸試驗。葉片樣品在815 ℃下的短時力學性能滿足相關標準的要求。

4）持久強度試驗。葉片樣品在815 ℃、325 MPa應力條件下的持久性能滿足相關標準的要求。

5）硬度測試。葉片樣品的硬度正常。

6）夾雜物分析。葉片樣品上的夾雜物級別為D1.5e。

7）金相分析。葉片樣品金相組織為奧氏體（混晶）。

8）斷口分析。斷口表面可分為三個區域：（1）緩慢疲勞擴展區，裂紋表面較細，可見明顯的疲勞輝紋；（2）快速疲勞擴展區，斷口表面較粗糙，疲勞為沿晶開裂特征；（3）失穩擴展區，沿晶+韌窩（少量）形貌。疲勞源位于榫頭第三齒底部的齒面上，為呈線狀排列的表面凹坑類缺陷。

9）能譜分析。斷口上腐蝕元素主要為O、S，夾雜物主要為TiN脆性夾雜。

3.2 討論

由理化分析結果可知，材料的化學成分、常溫和高溫力學性能均滿足相關標準要求，具有典型疲勞擴展特征，裂紋源為呈線狀排列的表面凹坑類缺陷。

催化煙機葉片在高溫、腐蝕環境下服役，并承受交變載荷作用，存在發生蠕變、腐蝕和疲勞損傷的可能性，其中疲勞斷裂是煙機葉片最常見的失效模式[3]。疲勞裂紋多數從葉身或榫頭等高應力區萌生。

高溫煙氣腐蝕和因配合不佳導致不均勻接觸磨損均有可能在葉片上形成凹坑，但兩者在凹坑分布特征上有明顯區別。腐蝕形成的凹坑一般常見于葉身表面涂層脫落處，分布較分散，沒有特定規律；而榫齒與榫槽不均勻接觸磨損則形成線狀排列的凹坑。據此推斷運行過程中葉片榫頭第三齒與榫槽接觸面存在不均勻接觸磨損導致疲勞裂紋萌生，裂紋在葉片承受交變彎曲應力和剪切應力的作用下不斷擴展，最終導致葉片斷裂。

3.3 葉片斷裂原因

該催化煙機動葉片斷裂為微動磨損導致的疲勞斷裂。

4 采取措施

1）加強煙機葉片制造質量控制，減少加工偏差，對葉片材料及成品進行材料分析及無損檢測。

2）對煙機通流部分進行改造，采用新型高效彎扭復合葉型，在保證通流能力和效率的前提下降低動葉片高度，降低應力水平，提升強度裕度，保證煙機安全穩定運行。

煙機于2022年5月27日改造完成并投入運行，至今運轉正常，各項指標滿足生產工藝要求。

5 結論

催化煙機動葉片斷裂失效的原因為微動磨損導致的疲勞斷裂，導致煙機振動高高聯鎖停機。為了避免葉片斷裂事故，要加強煙機轉子部件的制造質量控制，同時盡量采取措施降低葉片應力水平，確保煙機安全穩定運行。