離心壓縮機葉輪應力腐蝕行為和機理的研究.pdf

1、離心式壓縮機是一種以氣體為工作介質(zhì)的高速旋轉(zhuǎn)葉輪機械，依靠葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，使氣體壓力和速度都得到提高。依靠這一特性，離心式壓縮機廣泛應用于石油、化工、天然氣輸運、冶金、礦山等領域，是石油、化工等行業(yè)的關(guān)鍵設備。葉輪作為離心式壓縮機的核心部件，工作環(huán)境具有高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速、工作介質(zhì)種類繁多等特點，在其長期工作服役過程中，要承受離心載荷、工作介質(zhì)的氣動載荷、振動載荷、腐蝕介質(zhì)的作用及顆粒雜質(zhì)的沖擊磨損，往往會產(chǎn)生各種損傷，如開裂

2、、破斷、減薄、變形等，這其中，應力和腐蝕環(huán)境共同導致的應力腐蝕破裂具有很強的隱蔽性和突然性，葉輪一旦發(fā)生應力腐蝕破裂，往往會導致重大安全事故的發(fā)生，因此，開展離心式壓縮機葉輪應力腐蝕研究，掌握葉輪材料在實際服役環(huán)境中的應力腐蝕行為和機理，對于葉輪的設計和制造、保障企業(yè)安全生產(chǎn)和提高企業(yè)效益都有重要作用。本文依托國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）項目“再制造對象的多強場、跨尺度損傷行為與機理，可再制造的臨界閾值(2011CB01340

3、1)”，模擬管道離心式壓縮機葉輪實際服役環(huán)境，通過數(shù)值模擬方法、電化學方法、慢應變速率拉伸應力腐蝕試驗法和恒位移預制裂紋應力腐蝕試驗法，系統(tǒng)開展了葉輪鋼FV520B及其焊接接頭在高溫、高壓H2S/CO2環(huán)境中的應力腐蝕開裂(SCC)研究，得到如下研究成果:
　　(1)采用數(shù)值模擬方法，分析了離心式壓縮機葉輪內(nèi)部流場對葉片應力場、溫度場、速度場以及腐蝕介質(zhì)分布的影響規(guī)律。流固耦合前后葉片等效應力分布趨勢基本相同，最大值都位于葉片吸力

4、面上，靠近前緣與輪蓋的結(jié)合處。H2S在葉輪葉片吸力面、壓力面靠近前輪蓋處濃度較高，并且從葉輪入口至出口處，其質(zhì)量分數(shù)逐漸增大。CO2由于分子質(zhì)量更大，因此主要分布在葉片吸力面靠近后輪蓋處以及壓力面前部，并且從葉輪入口至出口含量逐步降低。葉片點蝕坑是葉片等效應力最大的位置，同時，流體速度在點蝕坑處急劇降低，造成H2S和CO2在點蝕坑處富集，進而成為應力腐蝕裂紋的起源處。
　　(2)通過分析FV520B葉輪鋼及其焊接接頭在高溫、高壓H

5、2S/CO2環(huán)境中的電化學極化曲線，研究了H2S濃度、CO2濃度、溫度、壓力等環(huán)境參數(shù)對材料自腐蝕電位、腐蝕電流密度的影響規(guī)律，結(jié)果顯示H2S在FV520B的電化學腐蝕過程中占主導地位，H2S的加入不但加速了FV520B葉輪鋼的陽極溶解，對FV520B葉輪鋼陰極反應也有很大的促進作用，隨著H2S濃度的升高，F(xiàn)V520B自腐蝕電位降低，自腐蝕電流密度升高，腐蝕速率增加，當H2S摩爾百分比濃度高于12％時，F(xiàn)V520B自腐蝕電位開始趨于穩(wěn)定

6、。與母材相比，F(xiàn)V520B焊接接頭在同樣環(huán)境中的自腐蝕電位相對更負，自腐蝕電流密度更高，腐蝕速率更快。
　　(3)FV520B葉輪鋼在含H2S和CO2環(huán)境中發(fā)生了明顯的應力腐蝕破裂，應力腐蝕裂紋起源于材料表面，并向材料內(nèi)部擴展，擴展方向垂直于應力方向，裂紋特征符合穿晶型應力腐蝕開裂特征，在試樣側(cè)面出現(xiàn)點蝕坑和細小裂紋，在應力的作用下逐漸擴展形成橫向裂紋，試樣斷口微小裂紋明顯增加，并且形成臺階狀的二次裂紋擴展形貌，說明FV520B在

7、含H2S和CO2環(huán)境中的斷裂形式為穿晶解理型脆性斷裂，H2S對FV520B葉輪鋼的應力腐蝕起主導作用，隨H2S濃度的增加，材料力學性能不斷降低，應力腐蝕敏感性指數(shù)上升。H2S濃度的升高可以加速FV520B陽極溶解反應，同時，大量的氫進入材料內(nèi)部并在內(nèi)部缺陷處富集，在外加載荷的作用下導致材料發(fā)生氫致開裂。因此，F(xiàn)V520B的應力腐蝕機理為陽極溶解和氫致開裂混合機制，裂紋擴展模式為穿晶型應力腐蝕開裂。
　　(4)葉輪鋼FV520B焊接

8、接頭在含H2S和CO2環(huán)境中的抗應力腐蝕性能較差，H2S濃度變化對應力腐蝕敏感性影響較小，即使在H2S濃度很低的情況下，焊接接頭的應力腐蝕傾向仍然非常嚴重。焊接工藝導致FV520B焊接接頭內(nèi)部存在大量的氣孔和夾雜等缺陷，表面的缺陷會導致試樣表面形成點蝕坑，進而發(fā)展為橫向裂紋，內(nèi)部的缺陷則會成為氫原子的聚積處，在氫壓和應力的作用下形成孔洞，進而產(chǎn)生氫致開裂裂紋。由于焊接缺陷的存在，焊接接頭試樣斷口凹凸不平，并且存在明顯的臺階狀二次裂紋，解

9、理特征明顯，體現(xiàn)了氫致開裂機制。溫度對FV520B焊接接頭在H2S/CO2環(huán)境中的應力腐蝕影響較大，F(xiàn)V520B焊接接頭拉伸過程中自腐蝕電位變化規(guī)律與其應力腐蝕敏感性隨溫度變化規(guī)律相同，隨著溫度升高，自腐蝕電位升高，應力腐蝕敏感性降低。
　　(5)通過對應力腐蝕敏感性指數(shù)的回歸分析，建立FV520B及其焊接接頭應力腐蝕敏感性指數(shù)與H2S含量、CO2含量、溫度和壓力等實驗介質(zhì)參數(shù)之間的交互型數(shù)學模型，結(jié)果顯示H2S濃度、溫度對FV5

10、20B應力腐蝕敏感指數(shù)的影響較為顯著，同時，溫度分別與其它三個參數(shù)對應力腐蝕敏感指數(shù)產(chǎn)生交互作用。溫度對FV520B焊接接頭的應力腐蝕敏感指數(shù)影響最為顯著，同時，CO2濃度與壓力對其應力腐蝕敏感指數(shù)產(chǎn)生交互作用。
　　(6)恒位移預制裂紋應力腐蝕試驗顯示，F(xiàn)V520B葉輪鋼在H2S/CO2環(huán)境中的應力腐蝕裂紋擴展速率隨加載應力強度因子的升高而逐漸增大，兩者近似呈線性關(guān)系。隨著H2S濃度的升高，導致材料發(fā)生應力腐蝕的臨界應力強度因子