GHH轴流风机叶片断裂.ppt

1、催化裂化装置轴流主风机转子叶片断裂原因分析及改进措施,王建军 2005年5月26日,提纲,课题背景及意义 现场使用工况情况调查分析 叶片材料检查和腐蚀情况检查 断裂叶片断口形貌研究 叶片振动特性分析 断裂原因综合分析 结论 改进及预防措施,全国原油加工量：1993年1.28亿吨进口1564万吨 2004年2.58亿吨进口11788万吨,主要作用：将将原油蒸馏以后的重油，在催化剂的作用下裂解为轻 质汽油、煤油、柴油和液化气,催化裂化,轴流风机组,轴流风机组：烟气轮机、轴流风机、电机、汽轮机,其主要作用：是向再生器中送压缩空气，使催化剂表面的积碳燃烧获 得再生后继续参加催化作用，一旦主风机组出现故

2、障停止供风，装 置就被迫切断进料出现非计划停工。,自1996年开始，该类型风机陆续发生了10起一级动叶片断裂事故，断裂的过程和原因基本雷同，给各企业的安稳长满优生产和经济效益造成了严重的影响，损失超过8000万元,上海高桥轴流风机,轴流风机转子全貌：前11级轴流叶片， 最后第12级为离心式叶片,上海高桥：98年2月23日，安装完毕试机时， 断裂3片动叶，多级叶片损坏，直接损失300万元,济南2003年4月5日叶片断裂后的损坏情况,轴承损坏情况,石家庄04年1月31日 叶片断裂情况,洛阳2002.6.5轴流风机叶片断裂，解体检查可见静叶片、动叶片 出现了严重损坏,洛阳2002.6.5第一级动叶片

3、断裂，转子大部分动静叶片损坏,课题研究的意义,连续不断的发生同类事故，说明必然有其内在的不合理的因素，找出这些因素，采取措施加以改进，对于保障机组的安全、稳定运行，减少不比要的经济损失，是非常必要的，也是工程技术人员应尽的职责。,使用工况调查分析,首先调查在运行上有没有不规范操作，有没有在不正常工况条件下运行。机组运行和维护，有没有严格的操作规程、岗前培训和运行记录，另外设备的控制系统能否保证设备的安全运行。,使用工况调查分析,石家庄风机叶片运行时间最长，从1999年以来出现了两次断裂事故： 1999年4月20日，18：20，石家庄的三机组风机突然发出异常声响，出入口振值由原来的15/16突增

4、到61/56，紧急进行大小风机切换，停机检查发现一级动叶片一片发生横向断裂，一二级动静叶顶严重弯曲变形，其余各级叶片出气边均有不同程度的损伤。石家庄机组在断裂之前5日，进机流量一直在机组设计最小流量以下，故机组较长时间处于低流量运行，工作气流不稳定。 2004年1月31日，6：59，一级叶片突然发生断裂。,2004年1月31日6点59分主风机振动突然生至报警值， 由18微米上升到130微米，随后切除及时停轴流风机，,石家庄2#催化裂化装置,使用工况调查分析,茂名的四机组风机，总共发生了三次不同程度的事故： 92年11月9日，轴流风机振动突然升高（生产工况很不稳定）使一根一级动叶片自根部断裂，其

5、余一级动叶片各有损伤。 94年1月5日，四机组轴流风机出入口侧轴振动打满程报警，一级动叶片从根部段一片，第二级动叶片从叶片的中部断半片，第二级断的半片在第一级断的那一根按运转方向隔了三片，其余14级动静叶片均有不同程度的损伤。 99年3月26日，机组响声异常，轴流风机振动高高报警（无喘振），一根一级的动叶片至根部断裂，其余一级动叶片叶顶有扭曲变形的现象。,使用工况调查分析,洛阳风机叶片2002年6月5日，11时26分，主控制室反应发现主风突然低流量自保，反应切断进料，主风机进入安全运行状态，主风机操作人员发现，主风机放空阀打开、静叶关闭到最小安全运行角度、出口单向阀关闭，随后现场出现异常声音，

6、操作人员紧急停机。 解体后发现，一级动叶中一片叶片从根部断裂，其余叶片发生不同程度变形和破损。其余各级动均有不同程度硬物打击伤痕。,使用工况调查分析,济南风机叶片2001年9月17日凌晨4时45分左右，机组操作员发现主风机振动测量仪表报警，同时机组厂房内有较大的异常声响，操作员立即停机，关闭烟机入口闸阀，发现轴位移快速升高超过报警值，转速降至3900rpm，主风机防喘振阀门打开，相应阀门动作。四机组停机后，主风机仍有一定异常声音。 解体检查发现转子一、二级动叶各断裂1片并打坏其余的动叶和静叶。 2003年第二次断裂。,使用工况调查分析结论,所有断裂都是第一级，都是德国MAN透平公司生产的机组。

7、 没有发现因操作问题直接导致机组损坏的主要证据，但是不良的操作工况会缩短叶片的运行寿命。 从机组运行和叶片断裂的时间看，叶片寿命相当分散，时间长的达到十年以上（如石家庄），短的一年多（高桥除外），因此，叶片断裂不但与叶片的实际运行工况有关，还和工作介质的成分、浓度、腐蚀性强弱等有关，这可能是导致叶片断裂事故分散的一个原因。,提纲,课题背景及意义 现场使用工况情况调查分析 叶片材料检查和腐蚀情况检查 断裂叶片断口形貌研究 叶片振动特性分析 断裂原因综合分析 结论 改进及预防措施,叶片材料检查和腐蚀情况检查,进口动叶片材料为X20CrMo13，已国产化的叶片材料种类很多，目前使用的有2Cr13和S

8、US630（即Armco17-4PH）等。,回火马氏体,回火马氏体+铁素体,回火马氏体,回火马氏体,叶片材料检查和腐蚀情况检查,茂名叶片硬度低于HRC20。 石家庄叶片硬度为HRC21。 上海高桥叶片硬度为HRC26-28。 大连叶片硬度为HRC2830。,叶片材料检查和腐蚀情况检查,叶片材料的硬度较低，而石家庄和茂名分公司叶片材料的硬度相对更低一些，因此判断叶片本身的材料正常，不存在缺陷。在断裂过程中，组织没有发生异常变化。,叶片材料检查和腐蚀情况检查,在对各分公司调研时发现济南分公司和石家庄分公司发生断裂的一级动叶片中有部分叶片中含有小裂纹，表面冲刷比较严重。,提纲,课题背景及意义 现场使

9、用工况情况调查分析 叶片材料检查和腐蚀情况检查 断裂叶片断口形貌研究 叶片振动特性分析 断裂原因综合分析 结论 改进及预防措施,小裂纹表面有许多腐蚀产物,形貌 具有疲劳特征,人工打断的端口有明显的韧窝 特征,说明叶片材料有一定的塑性,叶片出气边上的腐蚀坑,100,100,叶片出气边上的微裂纹,叶片断口的宏观形貌,端口顶端的腐蚀坑放大图,叶片裂纹1mm,65,出气边两条微裂纹,25,石家庄叶片断裂位置,是一个 倾斜断口进气边高于出气边,A区为裂纹起源位置，逐渐 向D区扩展。B区可看到疲劳 弧线，D区为最后撕裂区,裂纹走向:疲劳裂纹起源于叶片出气边,然后 向进气边扩展,断口宏观形貌,断口位置,茂名

10、断口形貌,有黑白相间条纹,裂纹源区的腐蚀坑,在交变载荷的作用下,疲劳裂纹尖端部分发生闭合摩擦,造成氧化,大连断口整体形貌分区,裂纹起源处,有较大的腐蚀坑,断裂区,裂纹起源内腐蚀坑,上海两片叶片宏观相貌,叶片表面有多起断裂源,由离心力和振动等导致的拉扭疲劳,振动导致的循环载荷,离心力和气流力,弯曲疲劳示意图,虚线表示低速运行,断裂叶片断口形貌研究结论,所做的断口形貌分析表明,所有断 裂为疲劳断裂,断裂起源于腐蚀坑.大 多集中在出气边，,提纲,课题背景及意义 现场使用工况情况调查分析 叶片材料检查和腐蚀情况检查 断裂叶片断口形貌研究 叶片振动特性分析 断裂原因综合分析 结论 改进及预防措施,叶片应

11、力分析,根据轴流风机叶片的结构和尺寸进行了应力分布计算 1、叶片静动力分析的有限元模型 1.1叶片有限元模型的运动方程 1.2有限元计算的单元模型 1.3叶片静态及动态应力场分析 2、 叶片强度与振动特性有限元分析 2.1叶片静态应力分析 2.2叶片振动特性分析,叶片设计时的截面型线图,叶片有限元网格，为了提高计算 精度，采用二十节点体单元对叶 片进行分析计算，离散后的节点 数为16383，单元数为4266,叶片内、背弧面上的等效应力分布,内弧,外弧,叶片应力分析结论,叶片最大应力区域位于叶片根部，主要是由机组高速 旋转的偏心离心力所致，最大应力为301MPa,最大位移 变形分量1.024mm

12、（沿周向）。 叶片最大气流弯应力30MPa，接近常用设计值的上限， 因此叶片的强度富裕量不很充分。,叶片振动特性分析,考虑三种约束状态分别是： (a) 叶根为刚性； (b) 考虑叶根的弹性，振动不下传； (c) 考虑叶根的弹性，且振动下传至承载齿面。,第一阶振型,第二阶振型,第三阶振型,叶片Campbell图,叶片振动特性分析结论,对约束方案(b)，即叶根结构紧安装，由于相邻 结构件的限制，振动不下传。从图中可以看出，此 时叶片的第二阶频率（887.1Hz）和第三阶频率 （1077.3Hz）分别落入第十阶激振频率（901Hz） 和第十二阶激振频率（1081.2Hz）的共振范围。 存在着诱发较大

13、共振动应力的可能。,提纲,课题背景及意义 现场使用工况情况调查分析 叶片材料检查和腐蚀情况检查 断裂叶片断口形貌研究 叶片振动特性分析 断裂原因综合分析 结论 改进及预防措施,断裂原因综合分析,通过调研和对比几家国内外厂家的轴流风机发现MAN透平公司的轴流风机第一级动叶片的叶型设计薄而且长，在它的正常使用工况校核其静强度和动强度是满足设计要求的，但相比短而且厚的叶片，提高了应力水平，降低了安全裕度，因此，在不稳定工况下工作时其抗疲劳性能就要差，这是引起叶片断裂的一个重要原因。,断裂原因分析,对收集到石家庄和济南旧叶片的金相检查没有发现异常现象，上海和大连的分析报告也显示出金相组织是正常的，因此

14、，叶片材料组织是合格。从强度校核结果看，所选择的材料X20CrMo13是满足使用要求的，但是，如果选择强度级别高一级的材料会安全一些。另外，茂名分公司在第一次叶片断裂后，更换了国产的材料，国产叶片在使用过程中同样发生了断裂，这也说明叶片的断裂与GHH所选材料无关。,断裂原因分析,叶片应力分析结果显示，叶片应力较大的位置在叶片根部附近出气边、进气边或叶背面，而几个分公司的叶片断裂均出现在上述位置，也证明了这些位置确实是应力较大的区域。 从石家庄和洛阳分公司叶片的振动特性分析可以看出，两个分公司的一级动叶片在使用中都存在诱发共振的可能，因此，在不稳定工况下，叶片极有可能发生共振，导致叶片失效。,断

15、裂原因分析,从断口形貌观察可以看出，各个分公司的断裂叶片可以分成两类，一类是裂纹起源于出气边，另一类是裂纹起源于叶背面靠近进气边一侧，这两类叶片的断裂位置都比较靠近叶根。,断裂原因分析,第一类断裂叶片的代表是石家庄叶片。从石家庄叶片断口形貌观察看到，在工作环境或工作系统中存在二氧化硫，其在两边和表面形成腐蚀坑，对疲劳裂纹的萌生和扩展有促进作用。 两次断裂叶片，虽然断裂位置高度不同（第一个断在离叶根约7580mm处，第二个断在约2530mm处），但都断在出气边。在叶片出气边腐蚀坑聚集处形成较严重的应力集中，导致在该处首先萌生疲劳裂纹，并向进气边方向扩展。随着裂纹的扩展叶片有效面积减小，实际受到的

16、工作应力和应力强度因子增加，加上工作气流不稳定，叶片承受过大交变应力作用。当叶片受力超过材料本身的抗拉强度或材料的断裂韧度时，发生瞬时过载断裂或低应力脆性断裂。,断裂原因分析,从断口形貌分析，疲劳裂纹扩展主要是由于离心拉应力和高阶振动共同作用下引起的，离心力等导致的拉应力(平均载荷)和拉拉或拉扭振动引起的交变应力的复合作用的结果。这类断裂叶片寿命相对较长。喘振可能是引起这类断裂的主要原因。 济南叶片的断裂与石家庄叶片的断裂非常相似，应该属于同一类。,断裂原因分析,第二类断裂叶片的代表是茂名叶片。茂名地处沿海，盐雾腐蚀较大，使风机1-6级动叶片运行一段时间（约5个月左右）外涂层在运行中就被腐蚀脱

17、落，腐蚀加剧后，在叶片的根部产生疲劳源点，对叶片强度有影响。几次断裂的叶片断口形貌基本一致：疲劳裂纹扩展区内带状贝纹结构，产生原因是在某一运行工况条件下，形成了交变弯曲压应力，这种应力很可能是低转速运行时产生的，它抵消了叶片的离心拉应力之后，使疲劳裂纹尖端部分形成黑色带。从断口分析可以推测，疲劳裂纹扩展主要是由于振动等引起的弯曲交变应力造成的。而且断裂叶片承受过压应力，压应力可能出现在启动或小流量工作状态。 洛阳的叶片属于这一类型。,断裂原因分析,大连叶片的断裂起源位置比较特殊，起源的位置不是截面最大应力点，但微观断口分析可以发现起源的位置有比较大的腐蚀坑，因此，大连叶片的断裂与腐蚀坑的出现有较直接的关系。 上海高桥分公司的叶片断裂更特殊，是机组在启动过程中静叶片未从启动位置改变到最小工作位置。并在以后的轴流主风机安全运行的1小时期间一直处于启动状态，静叶未释放。故障发生前轴流主风机一直处于旋转失速区域内工作，旋转失速导致产生了极大的弯曲交变应力，从而引起叶片疲劳破坏。,结论,经过上述分析可以得到以下结论： 1、GHH轴流主风机第一级动叶片的叶型设计安全裕度小，对表面腐蚀缺陷敏感，抗疲劳性能较差是引起叶片断裂的主要原因； 2、振动分析结果表明，叶片自然频率与气流激振力频率接近，频率避开率不足，易诱发共振，加速叶片疲劳失效。断裂都发生在因振动而产生的最大应