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寿命预测技术帮压缩机叶轮“抗疲劳”

日期: 2016-12-19
浏览: 451

  ——高端压缩机组高效可靠及智能化基础研究成果介绍

  疲劳或腐蚀疲劳是工业生产设备经常会出现的一种失效形式,这一现象在石化行业中更为突出。那么,如何避免离心压缩机叶轮的腐蚀疲劳失效呢?

  近日,合肥通用机械研究院依托“973”课题——极端条件下压缩机关键部件劣化机理及延寿关键技术,对石化行业离心压缩机关键部件——叶轮的腐蚀疲劳问题进行了深入研究,阐明了腐蚀疲劳失效机理、发生和发展规律。

  疲劳是材料或构件在循环载荷作用下突然发生断裂的一种现象。疲劳破坏的例子在日常生活中屡见不鲜,如自行车在行驶时前叉突然断裂,铁镐在刨地时从中一分为二,钢丝在对折时掰断等。人们在日常生活中有这样的经验,如果选择在钢丝生锈(腐蚀)的位置对折,钢丝更容易被掰断,可见腐蚀损伤对疲劳破坏会起到促进作用。石化行业这种情况同样会发生。

  合肥通用机械研究院通过调研发现,石化行业离心压缩机的很多失效事故与腐蚀疲劳密切有关,如石化企业空压机叶轮的断裂、催化装置富气压缩机叶轮的开裂等。在当前石化企业生产中,叶轮的腐蚀疲劳问题已经成为制约离心压缩机组长周期安全运行的主要失效模式之一。

  为什么离心压缩机叶轮容易发生腐蚀疲劳呢?合肥通用机械研究院极端条件下压缩机关键部件劣化机理及延寿关键技术课题组解释说,因为叶轮在高速旋转过程中,除承受变转速离心力、气流扰动力等循环载荷作用外,还会与具有腐蚀性的工艺介质直接接触,循环载荷和腐蚀的联合作用共同促成了叶轮腐蚀疲劳失效。

  课题重点研究了叶轮在不同温度空气、水雾、盐雾和硫化氢等介质环境下的疲劳行为。以叶轮材料FV520B钢在盐雾环境下的疲劳为例,其破坏过程由点蚀坑形成长大、裂纹从点蚀坑处启裂扩展直至断裂等阶段组成。在腐蚀疲劳过程初期,点蚀坑容易在材料表面微观缺陷位置或疲劳损伤导致的电化学特性不均匀位置产生并逐渐长大。当点蚀坑长大到裂纹萌生的临界尺寸时,该位置就会出现裂纹,此后裂纹逐渐扩展,直至最后断裂。点蚀坑形成与长大、裂纹萌生与扩展等过程所需要的时间即为腐蚀疲劳寿命,它取决于服役温度、应力水平、化学腐蚀等因素的共同作用。

  课题组在阐明疲劳失效机理、发生和发展规律基础上,通过大量的理论分析和试验测试,并综合考虑应力场、温度场和化学场的共同作用,研究建立了压缩机叶轮的腐蚀疲劳寿命预测方法。目前,该方法已在富气压缩机、循环氢压缩机、空压机叶轮的失效事故溯源中得到应用,如针对某石化企业烯烃分部空压机,应用腐蚀疲劳研究成果,分析了叶轮/叶片失效断裂原因,找到了失效关键影响因素,提出了预防点蚀形成、延长疲劳寿命的在役维护建议,为避免同类事故反复发生提供了科学依据。

  该研究成果还在压缩机新产品设计中得到了应用,如针对含盐污水处理用机械式蒸汽再压缩系统,在压缩机设计制造早期,充分考虑服役过程中可能存在的高浓度含盐、水蒸气环境,通过叶轮腐蚀疲劳寿命分析和结构设计改进,提高了压缩机的寿命可靠性,为今后长周期安全服役打下了良好基础。

  今后,该成果还将在压缩机在役再制造中进行推广,通过叶轮损伤状况评估和剩余寿命分析,在确保安全的前提下,合理延长压缩机的使用寿命,从而达到延寿的目的。

  高端压缩机组高效可靠及智能化基础研究项目

  高端压缩机组高效可靠及智能化基础研究项目是我国通用机械行业基础研究的重点项目,被列入国家重点基础研发计划——(973)计划。此项目旨在解决我国高端压缩机组的关键技术,提高此项技术水平,替代产品进口。

  该项目站在科学前沿,面向国家重大需求,针对国内高端压缩机现存的一些问题,以压缩机组高效、可靠、智能化运行为目标,从能源、动力、制造等领域多学科交叉层面,解决3方面的关键科学问题:多干扰复杂工况下压缩机组系统非稳定边界条件及扩稳机制;极端工况下关键部件劣化及主辅设备系统关联耦合作用规律;复杂系统振动噪声起因、诊断及自愈化原理。

  此项目于2012年启动,经过5年的研发和工业实践,取得了一系列的成果。研究成果为开发研制绿色智能压缩机提供了理论依据,并为石化企业解决了一些装置运行中的实际问题,为提升压缩机组的运行效率、降低了能耗、增强运行可靠性提供依据。项目共发表论文369篇,其中SCI/EI收录193篇;专着4部;专利115项,其中国际专利3项。项目提出的机组振动控制、气量无级调控等技术应用解决了二三十项重大工程难题。

  该项目由教育部、安徽省科技厅联合推荐,中国工程院院士、北京化工大学教授高金吉担任首席科学家,由北京化工大学、合肥通用机械研究院、西安交通大学、清华大学、东北大学、沈阳鼓风机集团股份有限公司、西安陕鼓动力股份有限公司等单位共同承担。
 

寿命预测技术帮压缩机叶轮“抗疲劳”
 
寿命预测技术帮压缩机叶轮“抗疲劳”

  项目共设6个课题,分别为多干扰复杂工况下压缩机系统的非稳定边界条件及性能变化规律、叶片局部柔性结构自适应的启动扩文减阻原理及方法、极端条件下压缩机关键部件劣化机理及延寿关键技术、压缩机组主辅设备复杂系统的集成耦合及优化、压缩机组复杂系统振动故障机理及智能联锁保护原理与方法、压缩机组自愈调控原理和故障靶向抑制方法。

  其中,中国通用机械研究院陈学东研究员负责“极端条件下压缩机关键部件劣化机理及延寿关键技术”课题、赵远扬博士负责“多干扰复杂工况下压缩机系统的非稳定边界条件及性能变化规律”课题。

  日前,“973”计划项目高端压缩机组高效可靠及智能化基础研究课题结题验收会议在北京举行。科技部基础研究司及基础研究管理中心、“973”计划顾问、项目专家组和项目及课题负责人出席了会议。验收专家给6个课题的评审结果全部为优秀,项目顺利通过验收。

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