GHH轴流风机叶片断裂

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 SUS630（即Armco17-4PH）等。
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
30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 93 2000 2001 2002 2004 2004 加工量 进口量
使用工况调查分析



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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。
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
厂家 型号
石家庄 AG060/13RV
上海高桥 AR070/11 R
大连 AG070/13RV V2L5
茂名 AG060/14 L5
内弧 x 37.048 33.436 29.775 26.137 22.567 19.056 15.556 12.075 8.635 5.233 1.840 -1.519 -4.818 -8.096 -11.315 -14.447 -17.559 -20.663 -23.758 -26.937 -30.426 y -14.346 -12.768 -11.300 -9.780 -8.109 -6.311 -4.496 -2.643 -0.718 1.278 3.286 5.353 7.509 9.707 11.986 14.387 16.810 19.243 21.687 24.020 25.838
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。 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。
进汽边到Imax抗矩mm3
出汽边到Imax抗矩mm3
837.5960
842.0973
974.1509
6637.7703
4730.3302
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
AA
A
A
A
A
A AA
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，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。
1989.5 2001.9.17 2003.4.5
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
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 15/16μ突 增到 61/56μ，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。
AA A
A A A A A
B B
B
B B BB
外弧
BB B B B B
B B
内弧
B C C
B
B
C B C
B B
LEGEND A - .2070E+02 B - .5788E+02 C - .9505E+02 D - .1322E+03 E - .1694E+03 F - .2066E+03 G - .2437E+03 H - .2809E+03 MINIMUM .21193E+01 MAXIMUM .29949E+03
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
催化裂化
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
轴流风机组：烟气轮机、轴流风机、电机、汽轮机
轴流风机组
★ ★
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障停止供风，装 置就被迫切断进料出现非计划停工。
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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
回火马氏体+铁素体
回火马氏体
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HRC28~30。
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。
洛阳 AG070/10 R
济南 AG060/14L5
机组类型
流量Nm3/min 入口压力KPa 出口压力KPa 入口温度（℃） 出口温度（℃） 转速rpm 相对湿度 功率kw 效率（%） 投用时间 断裂时间 累计运行时间
三机组
2000 98(A) 340(A)
三机组
3200 100(A) 400(A) 0.2 155
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。
↓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
断口宏观形貌
断口位置
裂纹走向:疲劳裂纹起源于叶片出气边,然后 向进气边扩展
茂名断口形貌,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
259
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
R370
R304
叶片结构图
1
1(93.000mm)
背弧 x 36.836 32.621 28.425 24.239 20.064 15.906 11.798 7.745 3.698 -0.323 -4.278 -8.107 -11.878 -15.565 -19.024 -22.223 -25.284 -28.099 -30.490 -32.450 -32.788 y -15.021 -14.406 -13.669 -12.876 -12.031 -11.102 -9.979 -8.665 -7.330 -5.926 -4.338 -2.470 -0.494 1.641 4.124 6.933 9.892 13.092 16.616 20.391 24.576
Y
X
面积mm2 605.7741
重心xmm -6.0812
重心ymm 4.0683
x轴惯性矩mm4
y轴惯性矩mm4 最大惯性矩mm4 最小惯性矩mm4
71171.8367
188864.4784 221810.3861
5797.7558
背弧到Imin抗矩mm3
进汽边到Imin抗矩mm3
出汽边到Imin抗矩mm3
石家庄2#催化裂化装置 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，
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。
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
振动导致的循环载荷
离心力和气流力
由离心力和振动等导致的拉－扭疲劳
最大值 振动导致的循环载荷
平均值 离心力和气流力 最小值
虚线表示低速运行
离心力
弯曲疲劳示意图
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，
←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
→叶片出气边上的微裂纹 ×100
←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
四机组
3000 95(A) 447(A) 26.4
四机组
1800 98(A) 400(A) 30 199 5703
三机组
3000 98(A) 340(A) 60 93 5424
四机组
2000 96(A) 393(A) 27.6 198.5 5714 71%
5400
5725 79% 63% 12675
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。
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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
6265 86 1987.10.16 1999.4.20 2004.1.31 120000
10838 88 未投用 1998.1.2 2
8240
9600 89
7240
1997.9 2001.10.25 31680
1990.1 92.11.9 94.1.4 99.3.26
1997.10 2002.6.5 30660