103JT转子叶片断裂原因分析.doc

中国特种设备检测研究院 报告编号：08R099-RQ01中海化学二期合成氨装置103-JT转子叶片断裂原因分析编 制：审 核： 审 批： 中国特种设备检测研究院目 录1概述22失效分析工作33综合分析244结论及建议255致谢26103-JT转子叶片断裂原因分析受中海石油化学股份有限公司委托，中国特种设备检测研究院（以下简称中国特检院）联合北京航空航天大学等单位的有关专家对中海石油化学股份有限公司103-JT转子断裂叶片进行了分析，确定该叶片的断裂原因。1概述中海石油化学股份有限公司年产四十五万吨合成氨和八十万吨大颗粒尿素装置，是目前国内规模最大、技术最先进的大氮肥生产企业。合成气压缩机组103-J/TJ是合成氨装置的关键动设备之一，由日本三菱重工株式会社设计制造。该合成气压缩机驱动透平为单缸、抽冷凝式，型号为5EH-6BD，叶片参数如表1所示。103-JT合成气压缩机透平自2003年10月到2006年3月一直运行良好，2006年3月调速侧轴承温度升高，更换透平备用转子和叶片（序列号：2LRHWZ），之后一直运行正常，2007年3月18日凌晨3时52分在稳定的工作转速12378rpm下，前后径向轴承振动值突然异常飙升，最大的振动VT-2505振值由11m突增致78m，透平排汽端发出较强的异常响声，且透平排汽端、管道及楼台支撑横梁振动较强，排汽端温度探头连线被震断。在4月17日的透平因工艺原因停车时，打开透平缸体，发现透平转子第5级叶轮(如图1所示)上一个叶片断裂（叶片位置如图2所示）。在事故发生后，为继续生产，将主转子和叶片（序列号：2LRHXA）装回使用，至今一直运转良好。 图1 合成气压缩机组103-J/TJ叶轮图2 发生破坏的第五级转子表1 转子叶片的相关参数设备名称合成气压缩机组103-JT转子叶片主体材质Ti-6Al-4V（第3、4、5、6级）设计单位日本三菱重工株式会社制造单位日本三菱重工株式会社安装单位日本三菱重工株式会社投入运行时间2006年3月（注：06年3月大修更换的备用转子，07年3月出现振动）规格不规则工作参数工作压力最大127Kg/cm2温度最大515（第五级转子的工作温度在100左右）介质过热蒸汽2失效分析分项工作21 叶片检查与分析第五级转子叶片共80片，将其依次编号，如图3所示。80片叶片中第72号叶片断裂，同时在三菱公司的第一次分析中，71号和73号叶片被选择做化学成分分析；13、31、70号叶片被选择做力学性能试验。最后除了已断裂的72号叶片外，三菱公司还返回了69块完整的叶片。因此，只对送来的69块完整叶片进行了表面检查。送检叶片编号为：1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、74、75、76、77、80。断裂叶片第五级转子共计80块叶片图3 第五级叶片位置平面简图211 叶盆、叶背与叶冠的宏观检查应用视频显微镜和体视显微镜对叶片叶盆、叶背与叶冠进行外观检查，检查中发现，部分叶片在叶盆处存在高温氧化变色痕迹，其检验结果如下：没有变色痕迹的叶片编号为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、14、25、28、30、33、34、63 ，共18片；变色痕迹较轻微的叶片编号为26、27、43、45、47、49、50、51、54、55、74、80，共12片；变色痕迹较严重叶片编号为17、18、19、20、21、36、44、46、48、53、56、57、58、59、65、67、68、69、75、76、77，共21片；痕迹严重的叶片编号为15、16、22、23、24、29、35、37、38、39、40、41、42、60、61、62、64、66 ，共18片；同时发现，所有叶片叶盆的进汽边和排汽边冲刷痕迹明显，部分痕迹较深，如图4所示，在叶盆的最凹处这种冲刷现象尤为突出，如图5所示，而叶背的进汽边和排汽边虽然也存在冲刷痕迹，但是明显要比叶盆处弱很多，如图6、图7所示。同时在部分叶片的叶冠侧面发现凹坑及划伤痕迹，其编号为7、37、42、43、44、57、58、62、63、67、68、75，如图8所示，从图中可以看出，划伤痕迹基本上是沿着叶片轴线方向。 图4 叶盆的进汽边冲刷痕迹 图5 39号叶片叶盆最凹处冲刷痕迹 图6 叶背的进汽边冲刷痕迹 图7 叶背的排汽边冲刷痕迹图8 68号叶片叶冠侧面处凹坑及划伤痕迹212 榫齿检查分析由于断裂起源于榫齿处，因此重点检查了榫齿外观的冲刷或破坏情况。仍然应用视频显微镜和体视显微镜对榫齿表面进行宏观观察，观察中发现，在榫齿槽内磨损、划伤痕迹明显，局部存在较深磨痕，少数存在凸起和凹坑现象，如图9、10所示，同时在2、3、4、6、7、9、10、11、14、16、17、18、20、21、22、23、24、27、28、30、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、49、53、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、74、75、76、77 号叶片的叶背面齿根侧壁处发现类此于蹭伤的痕迹，将这种痕迹放在扫描电镜下观察，发现该痕迹呈条状，如图11所示。同时在该痕迹旁边发现了另一种深色的痕迹，如图12所示。对图11和12中条状痕迹和表面深色痕迹放大观察，没有发现在这些地方有微裂纹出现。 图9 27号叶片榫齿槽内凸起痕迹 图10 35号叶片榫齿槽内凹坑痕迹 图11 28号叶片齿根侧壁条状痕迹 图12 28号叶片第三榫齿侧壁深色痕迹为了进一步判断这两种痕迹的性质及来源，对它们进行了能谱分析，结果示于图13、14。可见该条状痕迹主要成分为Fe、Cr、Ti其中Fe 77.61%，Cr 11.09%，Ti 6.57%，其中Ti应为基体中原来存在的，这表明该痕迹中的材料与叶片材料完全不同，是外来的。图13 条状区域能谱分析图表2 条状区域能谱定量分析结果 ElementWeight %Weight % ErrorAtom %Atom %Error Al 1.09+/- 0.25 2.12+/- 0.49 Si 3.64+/- 0.23 6.79+/- 0.43 Ti 6.57+/- 0.27 7.18+/- 0.30 Cr 11.09+/- 0.54 11.16+/- 0.54 Fe 77.61+/- 1.15 72.75+/- 1.08Total100.00100.00图14 深色区域能谱分析图表3 深色区域能谱定量分析结果 ElementWeight %Weight % ErrorAtom %Atom % Error C 32.15+/- 2.17 44.68+/- 3.02 O 42.24+/- 2.18 44.07+/- 2.27 Na 3.62+/- 0.25 2.63+/- 0.18 Al 0.62+/- 0.05 0.38+/- 0.03 Si 4.34+/- 0.12 2.58+/- 0.07 P 0.41+/- 0.05 0.22+/- 0.03 S 0.25+/- 0.04 0.13+/- 0.02 Ti 8.40+/- 0.19 2.93+/- 0.07 Cr 0.22+/- 0.05 0.07+/- 0.02 Fe 7.74+/- 0.20 2.31+/- 0.06Total100.00100.00而深色区域的主要成分为C、O、Ti、Fe并含有少量Na元素，其中C 32.15%，O 42.24%，Ti 8.40% ，Fe 7.74%，Na 3.62%。22 射线探伤检测分析对送检叶片（除4号和5号叶片以外）的叶身和榫齿、榫槽部位进行射线检测，没有超标缺陷显示，图15为部分叶片射线探伤照片。 图15 部分叶片射线检查结果23 化学成分分析取4号和5号叶片进行化学成分分析，其结果如表4所示。可以看出，叶片的化学成分满足三菱公司提供的材料成分要求。表4 叶片化学成分分析结果元素TiAlVCOFeNb含量余6.044.160.0120.180.220.1规范*余5.56.753.55.40.10.20.3-*三菱公司提供的技术规范要求。将分析结果与国际标准ASME SB348 Gr5对照，如表5所示，确定其成份基本满足ASME SB348 Gr5对Ti-6Al-4V钛合金的要求。表5 Ti-6Al-4V钛合金化学成分标准牌号化学成分 %主要成分杂质 不大于TiAlVFeCNHO其他元素单一总和Ti-6Al-4V余5.56.753.54.50.40.080.050.0150.200.100.40根据ASME SB348 Gr5，Ti-6Al-4V钛合金性能的见表6，该合金为+型钛合金，具有良好的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐腐蚀性、无毒和生物相容性，该牌号钛合金的使用量达到钛合金总用量的75%80%。表6 Ti-6Al-4V钛合金性能参数材料屈服强度/MPa抗拉强度/MPa延伸率/%断面收缩率/%Ti-6Al-4V828895102524 蒸汽冷凝液成分分析对现场取样的蒸汽冷凝液成分进行成分分析，其中，氯离子测定采用硝酸银滴定法，钠离子和二氧化硅测定采用分光光度法，分析结果见表7，可见测试结果中的Cl-、Na+和SiO2不能满足规范要求。由于本次分析采用用户和日本三菱公司联合在事故现场的取样，并由矿泉水瓶盛取的，不排除取样受污染问题。表7 蒸汽冷凝液成分分析结果PH值电导率（S/cm）Cl-Na+SiO2测试结果7.1212.60.600ppm0.0348ppm0.039ppm日方测试结果8.87.00.176ppm0.07ppm0.059ppm规范*-0.002ppm0.01 ppm0.015 ppm*三菱公司提供的技术规范要求。25 金相组织检查为了检测和判断该叶片所用材料的冶金质量和热处理规范，对叶片的特征区域进行了全面的金相组织观察。取叶片断口附近纵剖面及横截面进行观察，取样位置如图16所示，并将三个金相试样分别编号为1、2、3。1号试样在磨光、抛光状态下观察，未发现异常非金属夹杂物，如图17所示，表明所抽取部位的合金冶金质量未发现异常。同时检查了1号试样与2号试样是否存在晶间腐蚀情况，如图18、19所示，图示表明所抽取部位未发现晶间腐蚀的存在。321图16 金相取样位置图 图17 1号试样抛光状态下的金相图 图18 1号样抛光状态下边缘金相图 图19 2号样抛光状态下边缘金相图 在室温下经氢氟酸硝酸水（体积比1：6：7）侵蚀后观察，如图20、21、22所示，金相组织形貌为变形后的+双态组织，颜色较浅的近等轴状相为初生相，相间为+双相组织，整个组织形貌沿右45度方向略微拉长。通过与金相图谱（见机械工业出版社金属材料金相图谱下册，第1886页，图12-1-79）比对，该组织形貌无异常，为正常的Ti-6Al-4V钛合金组织。 图20 2号样边缘组织 图21 3号样组织(1) 图22 3号样组织(2)26 硬度分析将上述三块试样置于显微镜下测量显微硬度，每个试样随机测量三个点，取平均值，如表8所示，测量发现三个试样的硬度变化幅度不大，HV值均在330345之间，而Ti-6Al-4V钛合金的HV硬度值范围在300400之间，因此，叶片的硬度并无异常。表8 显微硬度测量结果（单位HV） 测定次数编号第一次第二次第三次平均值1340.8326.1339.1335.32338.2330.1327.5331.93334.2351.2344.2343.227 断口分析将断口置于体视显微镜和扫描电镜下观察，发现断口上存在3个源区，将3块区域分别标注，如图23所示。断口经过清洗以后，进行了断口宏微观形貌观察，从源区的宏观位置可以看出，两个裂纹源位于第二榫齿处，一个裂纹源位于第一榫齿处，三个裂纹源分别位于叶片的叶盆面和叶背面。下面逐一对3个区域断口进行分析。源区3叶背面叶盆面2源区1源区瞬断区图23 断口区域说明示意图271 1号区域的断口形貌观察图25中，1号区域左侧在三菱公司的第一次分析中切掉用作金相分析，已不完整，将前述3号金相试样砸开，在扫描电镜下观察断口部分，但是由于金相制样时要进行磨抛处理，断口被磨掉一定的厚度，实际上已被破坏，并未观察到有用信息。图24所示图片下方试样边缘很直，这是切割造成的结果，从图中可以看到明显的疲劳弧线，但是源区已被破坏。放大后断口呈脆性特征形貌，可观察到解理，无腐蚀形貌，也没有发现材料及加工缺陷，如图25所示。 图24 1区域断口宏观图像 图25 1区域的断口脆性解理特征对区域1进行能谱分析，分析区域见图23中1区域的黄色虚线部分。分析结果见图26和表9，谱线及定量结果表明，该区域除含有少量的Si元素外，均是基体元素，未见其它有害元素。 图26 1区域能谱分析图表9 1区域能谱分析定量结果 ElementWeight %Weight % ErrorAtom %Atom % Error Al 5.47+/- 0.28 9.33+/- 0.49 Si 0.09+/- 0.11 0.14+/- 0.17 Ti 90.98+/- 1.08 87.40+/- 1.04 V 3.46+/- 0.39 3.13+/- 0.35Total100.00100.00272 2号区域的断口形貌观察图27所示为2号区域形貌，由图中可以看到2号区域呈多点开裂，存在3个起裂源，均起源于第二榫齿边缘一侧，并向另一侧扩展，有明显的放射状花样。同时在该区域可看到明显的疲劳弧线痕迹，如图28所示。起裂位置图27 2号区域的起裂特征图28 2号区域疲劳的弧线特征图29为图28中位置的形貌特征，图中可见收敛特征，将该区域放大，如图30所示，断口呈现脆性特征，无腐蚀形貌，也没有发现材料及加工缺陷。 图29 2号区域源区 图30 2号区域源区放大 将图27中位置点放大，可观察到明显的二次裂纹特征，断口呈脆性形貌，没有发现腐蚀产物，也无材质及加工缺陷，如图31所示；继续放大观察，可观察到疲劳条带形貌，如图32所示。 图31 图28中位置的二次裂纹及脆性特征图32 图28中位置的疲劳条带形貌图27中号位置断口形貌依然为典型的脆性断口形貌，其源区特征如图33所示，没有发现腐蚀产物，也无材质和加工缺陷。 图33 号位置源区特征用能谱仪分析了2号区域源区的成分，分析位置有两块，如图23中两个黄色虚线框所示，两位置的分析结果基本一致，分析表明，该区域除含有少量的C元素外，均是基体元素，未见能对叶片造成腐蚀的有害元素存在，如图34及表10所示。图34 2号区域能谱图表10 2区域能谱分析定量结果ElementWeight %Weight % ErrorAtom %Atom % Error C 42.48+/- 4.76 73.68+/- 8.26 Al 4.01+/- 0.25 3.10+/- 0.20 Ti 51.50+/- 0.95 22.40+/- 0.41 V 2.01+/- 0.36 0.82+/- 0.15Total100.00100.00273 3号区域的断口形貌观察3号区域源区起源于第一榫齿一侧，源区位置较平，扩展趋势并不明显，从放大的图像上可以观察到明显的脆性特征，如图35所示，断口表面没有发现腐蚀产物，也无材质和加工缺陷。 图35 3号区域源区特征对3号区域源区进行能谱分析，分析位置如图23中黄色虚线所示，分析表明，该区域除含有少量的Si元素外，均是基体元素，未见能对叶片造成腐蚀的有害元素存在，如图36及表11所示。图36 3号区域能谱图表11 3区域能谱分析定量结果ElementWeight %Weight % ErrorAtom %Atom % Error Al 9.28+/- 0.78 15.30+/- 1.29 Si 1.12+/- 0.49 1.77+/- 0.77 Ti 84.35+/- 3.44 78.34+/- 3.19 V 5.25+/- 1.31 4.59+/- 1.15Total100.00100.00274 瞬断区断口形貌观察在瞬断区可观察到典型的韧窝形貌，如图37所示，整个瞬断区面积大约占整个断口面积的1/5左右。因此，可以判断疲劳应力水平不是很高。图37 瞬断区韧窝特征28 叶片榫齿尺寸测量为确定失效叶片制造尺寸与其它叶片是否一致，随机抽取了11、34、75，3块叶片，用卡尺测量了第一榫齿的宽度，见表12。测量后发现失效叶片的边缘处第一榫齿边缘部分宽度较其它叶片有0.05mm0.09mm的差异。表12 叶片尺寸测量结果测量位置编号72（失效叶片）113475中间位置(mm)6.626.666.666.61边缘位置(mm)6.566.646.656.61图38 叶片安装示意图从叶片安装示意图38可以看出，叶片根部与转子轮盘之间的连接主要有4个相互接触的位置，分别是第一榫齿与第二榫齿上表面两侧，因此，有必要测量第一榫齿与第二榫齿接面位置之间的距离（以下简称榫齿间距离）。随机抽取10、30、66号叶片和断裂叶片的叶根进行测量。图39是断裂叶片（72号叶片）叶根截面尺寸图。测量得到断裂叶片的榫齿间距离为5.855.89mm左右。图40是10号叶片叶根截面尺寸图。测量得到10号叶片榫齿间距离为6.056.07mm。图41是30号叶片叶根截面尺寸图。测量得到30号叶片榫齿间距离为6.05mm。66号叶片榫齿间距离为6.05mm。从测量结果可以看出，断裂叶片的榫齿间距离较未断裂叶片榫齿间距离要小。图39 断裂叶片叶根载面图图40 10号叶片叶根载面图图41 30号叶片叶根载面图29 应力分析三菱重工设计部门对第5级叶片在工作状态下的应力进行了分析，由于本次分析缺少叶片的精确尺寸，因此，在这里引用三菱重工的计算结果。三菱重工使用3-D模型和计算流体动力学进行了叶片的应力分析。整个叶片的3-D模型如图42所示。图43是第5级叶片的频谱图，它可以用来评估喷嘴通过频率共振情况。从图43中可以看出，在第5级叶片由最小到最大的转速变化过程中，在第4到第6振动模态下，可能出现共振，有3个共振点。第5级叶片的最大共振应力出现第5级振动模态，最大共振应力位置在叶根处，大小约为5.5kg/mm2，最小的安全系数为5.8，相比叶身处的安全系数要小得多，而且比三菱重工设计规范要求的最小安全系数6低，因此，可以看出该设计安全余度小，存在一定的安全隐患。图42 第5级叶片和轮盘3-D模型图43 第5级叶片频谱图3综合分析查阅103-JT转子运行工况记录没有发现操作异常现象。原转子已连续工作3年，到目前已累积工作4年多时间，没有发现任何破坏，而备用转子只工作了1年便出现了叶片断裂现象，对两个转子的工作情况进行调查，考虑工艺运行的稳定性，可以判断运行环境导致备用转子叶片发生断裂的可能性较小。根据叶形进行的叶片振动分析结果可以看出，该叶片设计上安全余度选取的比较小，存在一定的安全隐患，但在正常的制造、安装和工作条件下，叶片不会发生破坏。叶片的化学成分分析显示，断裂叶片与其它未断裂叶片都是钛合金制成，没有发现材料错用情况，硬度和金相组织检查结果证明材料中的夹杂物正常、金相组织未见异常。射线探伤检查没有发现叶片内部有缺陷。叶身表面虽有一定冲刷和变色痕迹，但不影响该叶片的正常工作。叶冠和榫齿表面检查虽然发现了一些表面缺陷，但未见与这些缺陷相连的微裂纹，可以排除这些缺陷引起叶片发生断裂的可能性。叶片榫齿的工作温度较低，在正常情况下，叶片主要承受离心载