烟气轮机动叶片损坏常见情况分析及解决措施

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展，目前已成为国内催化裂化装置能量回收系统中的主导产品。目前在气动设计上已基本形成以基元叶型和轮盘直径为分档，输出轴功率在 2000-33000kW之间的系列产品。

烟机是炼厂催化裂化装置能量回收机组的关键设备之-，其平稳运行直接关系到整个机组乃至整个装置安稳长周期运行。作为机组设备之-，烟机的平稳运行受很多外界因素的干扰，尤其是转子，很容易损坏，其中动叶片表现的最为明显，主要包括动叶片被冲蚀破坏、激光熔敷后熔敷部位产生裂纹、动叶片榫齿与轮盘榫槽接触不良产生局部应力过大破坏叶片等，主要就这类问题进行讨论。

1 动叶片冲蚀破坏的基本情况烟气中催化剂颗粒对烟机过流部件的冲蚀会直接导致叶片涂层破坏，叶片涂层-旦破坏，表面出现磨坑，就会形成应力集中的发源地，产生微裂纹，这种情况下，在叶片运行的时候由于受到自身质量引起的离心力、气流对叶片的作用力及受热不均匀引起的热应力综合作用下，裂纹会继续扩展，由微观裂纹变成宏观裂纹，并最终导致叶片断裂。动叶片冲蚀破坏后的实物照片如图 1所示，可以看出，动叶片冲蚀部位主要集中在叶片的迎风面及内稽出气端面处，尤其是内稽出气端面处冲蚀现象特别严重，有些地方甚至出现了蚀透的现象。

1.1 冲蚀机理及原因分析冲蚀破坏主要受催化剂颗粒的流动速度、粒度、浓度、冲击角度及叶片涂层性能几方面因素的影响。

· 基金项目：甘肃势技资助项目编号：1206GTGA0l4图 1 动叶片冲蚀破坏情况根据经验公式可知，粉尘颗粒对金属的冲蚀量可简单表示为：s.j公式中占为叶片冲蚀量，k为系数，与粒子的硬度，冲击角度等参数有关；V为粒子流动的速度；d为粒子的直径；口、b为常数。

关于粉尘颗粒粒度大小与冲蚀量的关系，根据国外专业厂家试验1如图 2所示及经验数据表明：颗粒粒度在5 以下时可以造成较小的冲蚀；在5- 20 m时将造成严重的冲蚀；20～4O m时将造成更严重的冲蚀，而在颗粒粒度超过 501xm以后，实际上不再增加冲蚀量。

0 20 40 60 8o l0o l20 14o l60 18o 200微粒粒度 u图2 粉尘粒度与冲蚀量关系8 6 4 2 O 8 6 4 2 蓉≥呈v轻 西是第 17期 任旭阳等：烟气轮机动叶片损坏常见情况分析及解决措施 47气体、小粉尘颗粒及大粉尘颗粒通过动叶片时的流动轨迹如图3所示，由于粉尘颗粒质量惯性的缘故，在流动过程中，直径越大的微粒相对气流中心线的偏移量越大。

图3 介质在动叶叶栅中的流动轨迹根据气动模拟可以给出，不同粒度的催化剂在叶栅内的轨迹图，如图 4所示，参照叶片被冲蚀现象，判断造成叶片被冲蚀破坏的主要介质直径为 l5 40la，m的大颗粒催化剂。

气流 小粉尘颗粒 大粉尘颗粒图4 介质在动叶叶栅中的流动轨迹对照1.2 YL型烟机防冲蚀设计由于烟机通过介质为含有固体催化剂颗粒的高温烟气两相介质，因此，在气动设计上-方面要从机组总体设计考虑，在满足装置匹配要求的通流量的条件下，优化选择合理的流道尺寸、轮盘直径、叶型及安装角度，使之效率达到优化值，还需要通过多相流分析，预测不同粒度的催化剂颗粒在流道中的运动轨迹，分析其冲蚀情况后做相应的调整，尽量地降低催化剂对叶片和流道的冲蚀破坏。因此，在设计中就出现了效率特性和磨损特性叶片、材料的磨损率和寿命相矛盾的问题。

为了有效地解决效率特性和磨损特性相矛盾的问题，YL型烟机的结构设计上采取了-系列的措施 ：在设计时控制气流合理的流动速度。YL型烟机动叶片选取 0.5的反动度，与其他反动度叶片比较，0.5反动度叶片的优点在于它的介质流速较低，静叶、动叶的出口流速仅高于圆周转速 30%，这样就有效地减少了介质对叶片的冲击速度。

在流道内设立固体颗粒折转台阶，如图5所示，由于离心力的作用，固体颗粒往往向流道外侧偏移，设立这样的折转台阶可以有效地防止动叶片上部冲蚀破坏严重的现象，使得叶片的冲蚀在整个叶身上比较均匀。

图 5 固体颗粒折转 台阶叶片及流道表面喷涂高性能的防冲蚀涂层。目前 YL型烟机采用的涂层为长城 1号” 高效耐磨涂层，该涂层是专门为 YL型烟机开发研制的，曾获得国家科技进步三等奖，实验室数据及使用经验都证明：该涂层无论与母体的结合强度还是耐冲蚀性能都完全可以满足目前-般烟机在设计工况的使用要求。另外，针对专门大功率高焓降烟机的长城33号”耐磨涂层，其工艺、硬度、结合强度等技术指标都优于长城 1号”，能够对叶片提供更好好的保护。

在叶片型线系列成熟 、完善，涂层质量保证，装置的工艺条件及催化剂颗粒的硬度、流动速度、直径及其对叶片的冲击角度相对稳定的情况下，设计上采取的这些有效措施很好地防止了催化剂颗粒对叶片和流道的冲蚀破坏。

2 齿面接触面积不够产生局部应力超标2.1 榫齿及榫槽Jjo-r-尺寸的控制YL型烟机转子轮盘和动叶片采用枞树型三齿结构连接，采用枞树型叶根，优点是尺寸孝强度高、安全性好、拆卸方便。图6为烟机常用，.p890轮盘与配套叶片榫槽、榫齿的加工图纸，其中榫齿加工采用磨削或铣削加工，轮盘采用拉削加工，加工时要求严格保证精度要求。

在榫头设计时，考虑到工艺上很难做到百分之百的接触，通常采用 80%接触作为应力计算的准则。我们举 YL型烟机比较常用的 q890轮盘与配套叶片进行说明，该榫齿、榫头尺寸理论接触数值见表 1。

表 1 榫齿及榫头尺寸数值榫齿宽度 设计榫齿长度 设计接触长度 榫头的楔形半角48 甘 肃 科 技 第29卷25"501525"50±l图6 纵树型榫齿、榫头2.2 接触不良产生原因及对叶片寿命的影响在较长周期使用后，由于用户在转子修复时齿型尺寸控制不好，或者由于催化剂对接触面的磨损等原因，很容易产生榫齿与榫槽接触面积减小，导致二者匹配陛不好 ，影响烟机的长周期稳定运行，甚至造成叶片断裂。p890轮盘与配套叶片设计榫齿接触面长度为 51.2mm，如果接触长度低于这个数值，挤压、弯曲和剪切应力就会比设计值高，拉伸应力也可能因为接触面的变化而产生不均匀分布。

叶片榫头在设计时-般炔全系数为 2，如果我们假设齿面接触长度仅有总长度的50%，小于设计值总长度的80%，也不会产生问题。但当接触区长度小于50%时，釉黾印６?以谘袒?て谠诵泄?讨校?饧佑αυ谡?７段?诘牟ǘ?悄衙獾模?杂陂就烦菝娼哟ゲ涣嫉囊镀??α?涂赡展是-个缓慢的过程，断裂前虽然叶片是在榫头带有裂纹的情况下运行，但烟机各项运行指标不会受到明显的影响，依然正常运行，从外部参数上根本看不出任何变化 ，因此，裂纹萌生到叶片断裂经过了相当长的时问而没有被发现。当裂纹扩展到应力强度因子与材料的断裂韧度值相等时，断裂就会突然发生。

目前，YL型烟机轮盘榫槽和动叶片榫齿除了采用合理的工艺路线、专用工装夹具和精密的加工设备保证零件的加工精度外，还加人了轮盘榫槽研磨工艺和动叶片榫齿抛丸强化处理工艺，进-步保证叶片榫齿和轮盘榫槽的的良好接触，同时榫齿抛丸处理还能够有限改善烟机动叶聘的安全运行稳定性。

3 激光熔敷对叶片基体组织的破坏由于烟机动叶片材料及使用环境的特殊性，有些厂家在对动叶片修复时缺乏相应的判别能力和修复技术，这也是造成2005-2006年烟机动叶片频繁断裂的-个很重要的因素。这里要特别提出的是激光熔覆技术的应用，近年来随着烟机部件修复技术的发展，出现了激光熔敷修复技术。对于该项技术，我们认为其不能增加零件的强度，只能够恢复零件的形状，其属于金属热加工，很容易形成沿晶裂纹和熔敷层中的缺陷，在母材与熔敷物结合区域也容易存在微裂纹、这将为以后的裂纹扩展造成叶片断裂事故留下隐患。

3.1 激光熔敷后断裂叶片金相组织下面是国内某炼油厂动叶片断裂后金相组织分析隋况，该叶片裂纹起始于叶片进气边处，将断裂的叶片断裂源区制成金相试样，如图7所示。

此处的熔敷层厚度大约为3mm基体组植悖?┱沟某跗谝彩窃谌鄯蟛恪Ｔ谌鄯蟛隳诨勾嬖谧帕教醭ぴ