【壓縮機網(wǎng)】高端壓縮機組高效可靠及智能化基礎研究成果介紹

　　疲勞或腐蝕疲勞是工業(yè)生產(chǎn)設備經(jīng)常會(huì )出現的一種失效形式，這一現象在石化行業(yè)中更為突出。那么，如何避免離心壓縮機葉輪的腐蝕疲勞失效呢？

　　近日，合肥通用機械研究院依托“973”課題——極端條件下壓縮機關(guān)鍵部件劣化機理及延壽關(guān)鍵技術(shù)，對石化行業(yè)離心壓縮機關(guān)鍵部件——葉輪的腐蝕疲勞問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，闡明了腐蝕疲勞失效機理、發(fā)生和發(fā)展規律。

　　疲勞是材料或構件在循環(huán)載荷作用下突然發(fā)生斷裂的一種現象。疲勞破壞的例子在日常生活中屢見(jiàn)不鮮，如自行車(chē)在行駛時(shí)前叉突然斷裂，鐵鎬在刨地時(shí)從中一分為二，鋼絲在對折時(shí)掰斷等。人們在日常生活中有這樣的經(jīng)驗，如果選擇在鋼絲生銹（腐蝕）的位置對折，鋼絲更容易被掰斷，可見(jiàn)腐蝕損傷對疲勞破壞會(huì )起到促進(jìn)作用。石化行業(yè)這種情況同樣會(huì )發(fā)生。

　　合肥通用機械研究院通過(guò)調研發(fā)現，石化行業(yè)離心壓縮機的很多失效事故與腐蝕疲勞密切有關(guān)，如石化企業(yè)空壓機葉輪的斷裂、催化裝置富氣壓縮機葉輪的開(kāi)裂等。在當前石化企業(yè)生產(chǎn)中，葉輪的腐蝕疲勞問(wèn)題已經(jīng)成為制約離心壓縮機組長(cháng)周期安全運行的主要失效模式之一。

　　為什么離心壓縮機葉輪容易發(fā)生腐蝕疲勞呢？合肥通用機械研究院極端條件下壓縮機關(guān)鍵部件劣化機理及延壽關(guān)鍵技術(shù)課題組解釋說(shuō)，因為葉輪在高速旋轉過(guò)程中，除承受變轉速離心力、氣流擾動(dòng)力等循環(huán)載荷作用外，還會(huì )與具有腐蝕性的工藝介質(zhì)直接接觸，循環(huán)載荷和腐蝕的聯(lián)合作用共同促成了葉輪腐蝕疲勞失效。

　　課題重點(diǎn)研究了葉輪在不同溫度空氣、水霧、鹽霧和硫化氫等介質(zhì)環(huán)境下的疲勞行為。以葉輪材料FV520B鋼在鹽霧環(huán)境下的疲勞為例，其破壞過(guò)程由點(diǎn)蝕坑形成長(cháng)大、裂紋從點(diǎn)蝕坑處啟裂擴展直至斷裂等階段組成。在腐蝕疲勞過(guò)程初期，點(diǎn)蝕坑容易在材料表面微觀(guān)缺陷位置或疲勞損傷導致的電化學(xué)特性不均勻位置產(chǎn)生并逐漸長(cháng)大。當點(diǎn)蝕坑長(cháng)大到裂紋萌生的臨界尺寸時(shí)，該位置就會(huì )出現裂紋，此后裂紋逐漸擴展，直至z*后斷裂。點(diǎn)蝕坑形成與長(cháng)大、裂紋萌生與擴展等過(guò)程所需要的時(shí)間即為腐蝕疲勞壽命，它取決于服役溫度、應力水平、化學(xué)腐蝕等因素的共同作用。

　　課題組在闡明疲勞失效機理、發(fā)生和發(fā)展規律基礎上，通過(guò)大量的理論分析和試驗測試，并綜合考慮應力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和化學(xué)場(chǎng)的共同作用，研究建立了壓縮機葉輪的腐蝕疲勞壽命預測方法。目前，該方法已在富氣壓縮機、循環(huán)氫壓縮機、空壓機葉輪的失效事故溯源中得到應用，如針對某石化企業(yè)烯烴分部空壓機，應用腐蝕疲勞研究成果，分析了葉輪/葉片失效斷裂原因，找到了失效關(guān)鍵影響因素，提出了預防點(diǎn)蝕形成、延長(cháng)疲勞壽命的在役維護建議，為避免同類(lèi)事故反復發(fā)生提供了科學(xué)依據。

　　該研究成果還在壓縮機新產(chǎn)品設計中得到了應用，如針對含鹽污水處理用機械式蒸汽再壓縮系統，在壓縮機設計制造早期，充分考慮服役過(guò)程中可能存在的高濃度含鹽、水蒸氣環(huán)境，通過(guò)葉輪腐蝕疲勞壽命分析和結構設計改進(jìn)，提高了壓縮機的壽命可靠性，為今后長(cháng)周期安全服役打下了良好基礎。

　　今后，該成果還將在壓縮機在役再制造中進(jìn)行推廣，通過(guò)葉輪損傷狀況評估和剩余壽命分析，在確保安全的前提下，合理延長(cháng)壓縮機的使用壽命，從而達到延壽的目的。

　　高端壓縮機組高效可靠及智能化基礎研究項目

　　高端壓縮機組高效可靠及智能化基礎研究項目是我國通用機械行業(yè)基礎研究的重點(diǎn)項目，被列入國家重點(diǎn)基礎研發(fā)計劃——（973）計劃。此項目旨在解決我國高端壓縮機組的關(guān)鍵技術(shù)，提高此項技術(shù)水平，替代產(chǎn)品進(jìn)口。

　　該項目站在科學(xué)前沿，面向國家重大需求，針對國內高端壓縮機現存的一些問(wèn)題，以壓縮機組高效、可靠、智能化運行為目標，從能源、動(dòng)力、制造等領(lǐng)域多學(xué)科交叉層面，解決3方面的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題：多干擾復雜工況下壓縮機組系統非穩定邊界條件及擴穩機制；極端工況下關(guān)鍵部件劣化及主輔設備系統關(guān)聯(lián)耦合作用規律；復雜系統振動(dòng)噪聲起因、診斷及自愈化原理。

　　此項目于2012年啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)5年的研發(fā)和工業(yè)實(shí)踐，取得了一系列的成果。研究成果為開(kāi)發(fā)研制綠色智能壓縮機提供了理論依據，并為石化企業(yè)解決了一些裝置運行中的實(shí)際問(wèn)題，為提升壓縮機組的運行效率、降低了能耗、增強運行可靠性提供依據。項目共發(fā)表論文369篇，其中SCI/EI收錄193篇；專(zhuān)著(zhù)4部；專(zhuān)利115項，其中國際專(zhuān)利3項。項目提出的機組振動(dòng)控制、氣量無(wú)級調控等技術(shù)應用解決了二三十項重大工程難題。

　　該項目由教育部、安徽省科技廳聯(lián)合推薦，中國工程院院士、北京化工大學(xué)教授高金吉擔任s*席科學(xué)家，由北京化工大學(xué)、合肥通用機械研究院、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、東北大學(xué)、沈陽(yáng)鼓風(fēng)機集團股份有限公司、西安陜鼓動(dòng)力股份有限公司等單位共同承擔。
 

 

　　項目共設6個(gè)課題，分別為多干擾復雜工況下壓縮機系統的非穩定邊界條件及性能變化規律、葉片局部柔性結構自適應的啟動(dòng)擴文減阻原理及方法、極端條件下壓縮機關(guān)鍵部件劣化機理及延壽關(guān)鍵技術(shù)、壓縮機組主輔設備復雜系統的集成耦合及優(yōu)化、壓縮機組復雜系統振動(dòng)故障機理及智能聯(lián)鎖保護原理與方法、壓縮機組自愈調控原理和故障靶向抑制方法。

　　其中，中國通用機械研究院陳學(xué)東研究員負責“極端條件下壓縮機關(guān)鍵部件劣化機理及延壽關(guān)鍵技術(shù)”課題、趙遠揚博士負責“多干擾復雜工況下壓縮機系統的非穩定邊界條件及性能變化規律”課題。

　　日前，“973”計劃項目高端壓縮機組高效可靠及智能化基礎研究課題結題驗收會(huì )議在北京舉行?？萍疾炕A研究司及基礎研究管理中心、“973”計劃顧問(wèn)、項目專(zhuān)家組和項目及課題負責人出席了會(huì )議。驗收專(zhuān)家給6個(gè)課題的評審結果全部為優(yōu)秀，項目順利通過(guò)驗收。