梁宗忠，张洪涛，张林平

(1.中国石油 兰州石化分公司，甘肃 兰州 730060；2.兰州金研激光再制造技术开发有限公司，甘肃 兰州 730060)

某石化公司8×104t/a丙烯酸及10×104t/a丙烯酸酯装置,分别采用丙烯气相两步氧化法生产丙烯酸和连续酯化法生产丙烯酸甲/乙酯、丁酯。该装置于2008-04正式投料运行，2019-03-23 T18:22丙烯酸装置循环气压缩机VI1228(振动值测点位号)振动幅度达128 μm，触发联锁值(振幅75 μm)停机，造成丙烯酸装置停车。查阅装置停车前的相关工艺设备运行记录，可以确定工艺参数稳定并无异常。停机解体检查后，发现一级叶轮叶片断裂, 碎片约95 mm×69 mm(长×宽)，断裂碎片造成其它叶片不同程度损伤，一级蜗壳导流片局部损伤，二级叶轮正常。笔者对叶片损伤原因进行分析，并采用激光熔覆方法对叶片进行了修复。

1 失效叶片理化检验

1.1 宏观分析

叶片断裂的叶盘宏观形貌见图1。图1中叶盘不止1个叶片发生了掉角，其中一级叶片断角最为严重。

图1 叶片断裂的叶盘宏观形貌

截取失效叶片的断裂碎片进行宏观形貌检查，并进一步放大叶片断口进行宏观形貌观察，结果见图2～图4。

图2 掉角叶片的叶背侧宏观形貌

图3 掉角叶片的叶盆侧宏观形貌

图4 叶片断口宏观形貌

图2中叶片掉角断口呈圆弧状，可明显观察到叶背自断口处延伸出的1条长裂纹。图3中可见叶盆侧已出现细小的短裂纹。图4中的叶片断口截面可观察到明显裂纹，断口局部形貌较平坦，颜色为浅灰色，无明显被污染或被氧化痕迹，局部可见明显弧线，呈典型疲劳断裂特征。根据弧线的扩展方向可判断，裂纹源在叶盆一侧的表面上，断裂源已受到破坏(图4最右侧箭头所指附近)，断口边缘有较严重的塑性变形。综合分析图2～图4的观察结果，可推断裂纹从厚度方向贯穿了叶片，而且还有进一步开裂的趋势。

1.2 微观分析

对叶片断口样品进行整体和特定局部区域的扫描电镜(SEM)放大观察，结果见图5～图8。

图5所示叶片断口整体低倍形貌断口大致分为3个不同区域，分别标记为①区、②区和③区。图6所示①区局部断口放大形貌可见大量疲劳辉纹，有明显裂纹扩展弧线，依据这些弧线的扩展方向确定裂纹源位于断口叶盆侧表面，大致在①区下侧箭头所指位置。图7所示②区局部断口放大形貌较平坦，无明显特征，判断为裂纹扩展区域，可见准解理断裂形貌，均是典型的疲劳断裂特征[1-4]。图8所示③区位于断口边缘附近，断口起伏较大，判断为裂纹最终瞬断区,断口受到严重的碰撞和磨损影响，断口形貌已难以辨认。

图7 叶片断口②区局部SEM放大形貌(50×)

图8 叶片断口③区局部SEM放大形貌(200×)

1.3 X射线能谱分析

在失效叶片的叶盆侧表面选取3处较平坦区域进行X 射线能谱分析，分析结果表明3个区域材料的化学成分含量基本一致，符合GB/T 20878—2007《不锈钢和耐热钢 牌号及化学成分》[5]中对沉淀硬化不锈钢0Cr17Ni4Cu4Nb的要求，未发现S、Cl等腐蚀性介质元素。

2 失效叶片断裂原因分析

宏观分析、微观分析以及X射线能谱检验发现失效叶片主要存在疲劳辉纹、断口呈准解理形貌和疲劳断口表面的弧线间距较大等异常，并以此得出本次叶片掉角断裂的原因为疲劳断裂[1-4]。疲劳断裂通常是指在承受交变或波动应变的构件中，由于应力集中或强度较低首先产生裂纹，在交变应力作用下裂纹随后扩展，经一定的循环周次后超出材料疲劳极限而发生的断裂。金属材料的疲劳一般分为疲劳裂纹萌生阶段、疲劳裂纹生长阶段及疲劳断裂阶段[6-8]。

对循环气压缩机叶片结构和运行工况进行的分析也可得到相同的结论。丙烯酸装置中循环气压缩机型号RHH1S2VD15 U180 KBGGX，为两级高速离心压缩机，其叶轮为德国FIMA公司原厂制造，属于三元流动半开式叶轮，一次加工成型，材质为0Cr17Ni4Cu4Nb。在丙烯酸生产工艺流程中，循环气压缩机负责急冷塔(T-1110)塔顶出来的没有被吸收的气体的两级压缩，其运行时的转速为12 492 r/min，压缩介质为水蒸气、烯、烷、醛、酸等气液混合体，吸入介质温度58.0～69.0 ℃，出口介质温度155.0～205.0 ℃。循环气压缩机叶片前端与盖盘和底盘的接触位置应力较大,属于发生疲劳失效的危险位置。

循环气压缩机正常运行时，叶片处在高速运转状态下，转速高达12 492 r/min，同时又处于一个温升的过程当中，叶片处于轴向和径向切力的共同作用下。循环气压缩机开、停机时，叶片局部应力大幅波动，尤其是突发性的停机会同时伴有温度突变，过载应力也更大。循环气压缩机自开车以来发生停机近70次，其中2017～2018年有12次停机，2018年由于设备故障和电仪等原因发生的突发性停机4次，这些都为叶片疲劳裂纹的萌生、扩展及断裂创造了条件[9-10]。

综合以上分析，推断循环气压缩机叶片损坏的原因为，叶轮叶片的断裂是由于疲劳造成的，叶轮运行中叶片表面在振动引起的应力交变作用下萌生裂纹，裂纹随着作用时间的延续逐渐向纵深发展，多次开、停车，特别是事故状态下的急停，对裂纹的萌生和扩展起到促进作用，导致叶片最终完全断裂[11-15]。

3 失效叶片激光熔覆修复

3.1 修复技术简介[16-18]

选择激光熔覆技术进行失效叶片的修复。激光熔覆通常采用在基体上预置涂层或喷吹送粉方法加入熔覆金属，利用激光束聚焦能量极高的特点，在瞬间将基体表面微熔，同时使基体表面预置的熔覆层金属粉末(与基体材质相同或相近)全部熔化，激光离去后快速凝固，获得与基体为冶金结合的致密覆层，能使零件表面恢复几何外形尺寸，而且使表面涂层强化。

激光熔覆具有以下技术上的先进性，①激光熔覆层与基体形成冶金结合,其结合强度不低于原本体材料的90%。②基体材料在激光加工过程中仅表面微熔，微熔单层厚度为0.05～0.1 mm。基体热影响区极小，一般为0.1～0.2 mm。③熔覆层与基体均无粗大的铸造组织，熔覆层及其界面组织致密，晶体细小，无孔洞，无夹杂裂纹等缺陷。④激光加工过程中基体温升不超过80 ℃，激光加工后无热变形。⑤激光熔覆技术可控性好，易实现自动化控制。⑥激光熔覆层组织是由底层、中间层以及面层组成的各具特点的梯度功能材料，底层具有与基体浸润性好、结合强度高等特点，中间层具有一定强度和硬度、抗裂性好等优点，面层具有抗冲刷、耐磨损和耐腐蚀等特点，能够使修复后的设备在安全性能和使用性能上更加有保障。

这些先进性特点解决了振动焊、氩弧焊、喷涂及镀层等传统修理方法无法解决的材料选用局限性、工艺过程热应力、热变形、材料晶粒粗大、基体材料结合强度难以保证等问题，是其被选择并应用到损坏叶片修复的主要原因。

3.2 修复工艺要点

(1)对循环气压缩机叶轮进行荧光二级无损检测，通过检测确定变形弯曲叶片内存在的肉眼不可见裂纹，以及叶片进气边击伤处和叶轮整体存在的裂纹及荧光显示大于Ø0.5 mm的孔洞缺陷，并予以消除。

(2)对叶轮的修复采用等强度焊接技术，保证修复的叶轮与原叶轮母材强度相同。

(3)热处理工艺后进行修复叶片的金相组织检测、硬度检测,以达到0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢金相检验要求为合格[19]。

(4)对叶型完整面采用激光三维扫描测绘叶型，要求误差在0.02 mm以内，4截面制作叶型模板和胎具。

(5)采用3 kW光纤激光快速切割叶轮变形部位的叶身部分，采用CNC计算机数控技术辅助控制并磨除约0.2 mm再铸层。

(6)采用高能微弧冷焊工艺制作过渡层(与母材同，要求0.5 mm厚)，其热影响区仅为0.01 mm，焊后强度至少为母体强度的95%。

(7)采用CO2激光仿形熔铸工艺辅助CNC系统激光无模成型至原尺寸。采用CNC控制系统进行压缩机叶片叶型的三维生长控制，生长出的部分要达到原叶片形态，避免焊后的叶片叶型还要再次人为调整。

(8)采用超声波对焊道边缘和中心进行冲击，每生长2 mm冲击1次，使焊接后产生的拉应力状态调整为压应力状态。

(9)对叶轮在真空、300 ℃条件下，退火8 h消除残余应力。

(10)使用模板，按4个截面修形，修磨去除超出原叶片厚度的部分，用胎具纠形、修整，要求胎具贴合面积大于90%。

(11)叶轮修复后对修复区域进行荧光和X光检测，确保焊后无线性和荧光显示大于Ø0.5 mm的孔洞焊接缺陷。

(12)采用抛丸和表面碾压处理，提高叶片表面的抗疲劳强度。

(13)对叶轮及转子进行动平衡试验。将轴单独与二级叶轮装配后，对修复后的二级叶轮做静平衡，随后做1 500 r/min低速动平衡。按照额定转速的115%转速对二级叶轮做超速试验。将一、二级叶轮安装在轴上，对整根转子做1 500 r/min低速动平衡，在额定转速12 492 r/min下对整根转子做高速动平衡。

4 结语

介绍了某石化公司聚丙烯装置循环气压缩机叶片断裂损伤情况，结合断裂叶片的理化检验结果和压缩机叶片的运行情况，分析并确定了叶片疲劳断裂的原因，介绍了激光熔覆技术及其在损伤叶片修复中的应用。压缩机于2019-06重新投入运行, 叶片修复后的叶轮通过性能鉴定，运行良好。