【壓縮機(jī)網(wǎng)】高端壓縮機(jī)組高效可靠及智能化基礎(chǔ)研究成果介紹

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

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

　　疲勞是材料或構(gòu)件在循環(huán)載荷作用下突然發(fā)生斷裂的一種現(xiàn)象。疲勞破壞的例子在日常生活中屢見不鮮，如自行車在行駛時(shí)前叉突然斷裂，鐵鎬在刨地時(shí)從中一分為二，鋼絲在對(duì)折時(shí)掰斷等。人們?cè)谌粘Ｉ钪杏羞@樣的經(jīng)驗(yàn)，如果選擇在鋼絲生銹（腐蝕）的位置對(duì)折，鋼絲更容易被掰斷，可見腐蝕損傷對(duì)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(jī)械研究院通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，石化行業(yè)離心壓縮機(jī)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(jī)葉輪的斷裂、催化裝置富氣壓縮機(jī)葉輪的開裂等。在當(dāng)前石化企業(yè)生產(chǎn)中，葉輪的腐蝕疲勞問題已經(jīng)成為制約離心壓縮機(jī)組長(zhǎng)周期安全運(yùn)行的主要失效模式之一。

　　為什么離心壓縮機(jī)葉輪容易發(fā)生腐蝕疲勞呢？合肥通用機(jī)械研究院極端條件下壓縮機(jī)關(guān)鍵部件劣化機(jī)理及延壽關(guān)鍵技術(shù)課題組解釋說，因?yàn)槿~輪在高速旋轉(zhuǎn)過程中，除承受變轉(zhuǎn)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，其破壞過程由點(diǎn)蝕坑形成長(zhǎng)大、裂紋從點(diǎn)蝕坑處啟裂擴(kuò)展直至斷裂等階段組成。在腐蝕疲勞過程初期，點(diǎn)蝕坑容易在材料表面微觀缺陷位置或疲勞損傷導(dǎo)致的電化學(xué)特性不均勻位置產(chǎn)生并逐漸長(zhǎng)大。當(dāng)點(diǎn)蝕坑長(zhǎng)大到裂紋萌生的臨界尺寸時(shí)，該位置就會(huì)出現(xiàn)裂紋，此后裂紋逐漸擴(kuò)展，直至z*后斷裂。點(diǎn)蝕坑形成與長(zhǎng)大、裂紋萌生與擴(kuò)展等過程所需要的時(shí)間即為腐蝕疲勞壽命，它取決于服役溫度、應(yīng)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(jī)理、發(fā)生和發(fā)展規(guī)律基礎(chǔ)上，通過大量的理論分析和試驗(yàn)測(cè)試，并綜合考慮應(yīng)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(jī)葉輪的腐蝕疲勞壽命預(yù)測(cè)方法。目前，該方法已在富氣壓縮機(jī)、循環(huán)氫壓縮機(jī)、空壓機(jī)葉輪的失效事故溯源中得到應(yīng)用，如針對(duì)某石化企業(yè)烯烴分部空壓機(jī)，應(yīng)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(yù)防點(diǎn)蝕形成、延長(zhǎng)疲勞壽命的在役維護(hù)建議，為避免同類事故反復(fù)發(fā)生提供了科學(xué)依據(jù)。

　　該研究成果還在壓縮機(jī)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用，如針對(duì)含鹽污水處理用機(jī)械式蒸汽再壓縮系統(tǒng)，在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)制造早期，充分考慮服役過程中可能存在的高濃度含鹽、水蒸氣環(huán)境，通過葉輪腐蝕疲勞壽命分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)，提高了壓縮機(jī)的壽命可靠性，為今后長(zhǎng)周期安全服役打下了良好基礎(chǔ)。

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

　　高端壓縮機(jī)組高效可靠及智能化基礎(chǔ)研究項(xiàng)目

　　高端壓縮機(jī)組高效可靠及智能化基礎(chǔ)研究項(xiàng)目是我國(guó)通用機(jī)械行業(yè)基礎(chǔ)研究的重點(diǎn)項(xiàng)目，被列入國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研發(fā)計(jì)劃——（973）計(jì)劃。此項(xiàng)目旨在解決我國(guó)高端壓縮機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)，提高此項(xiàng)技術(shù)水平，替代產(chǎn)品進(jìn)口。

　　該項(xiàng)目站在科學(xué)前沿，面向國(guó)家重大需求，針對(duì)國(guó)內(nèi)高端壓縮機(jī)現(xiàn)存的一些問題，以壓縮機(jī)組高效、可靠、智能化運(yùn)行為目標(biāo)，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)問題：多干擾復(fù)雜工況下壓縮機(jī)組系統(tǒng)非穩(wěn)定邊界條件及擴(kuò)穩(wěn)機(jī)制；極端工況下關(guān)鍵部件劣化及主輔設(shè)備系統(tǒng)關(guān)聯(lián)耦合作用規(guī)律；復(fù)雜系統(tǒng)振動(dòng)噪聲起因、診斷及自愈化原理。

　　此項(xiàng)目于2012年啟動(dòng)，經(jīng)過5年的研發(fā)和工業(yè)實(shí)踐，取得了一系列的成果。研究成果為開發(fā)研制綠色智能壓縮機(jī)提供了理論依據(jù)，并為石化企業(yè)解決了一些裝置運(yùn)行中的實(shí)際問題，為提升壓縮機(jī)組的運(yùn)行效率、降低了能耗、增強(qiáng)運(yùn)行可靠性提供依據(jù)。項(xiàng)目共發(fā)表論文369篇，其中SCI/EI收錄193篇；專著4部；專利115項(xiàng)，其中國(guó)際專利3項(xiàng)。項(xiàng)目提出的機(jī)組振動(dòng)控制、氣量無級(jí)調(diào)控等技術(shù)應(yīng)用解決了二三十項(xiàng)重大工程難題。

　　該項(xiàng)目由教育部、安徽省科技廳聯(lián)合推薦，中國(guó)工程院院士、北京化工大學(xué)教授高金吉擔(dān)任s*席科學(xué)家，由北京化工大學(xué)、合肥通用機(jī)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(jī)集團(tuán)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(dān)。
 

 

　　項(xiàng)目共設(shè)6個(gè)課題，分別為多干擾復(fù)雜工況下壓縮機(jī)系統(tǒng)的非穩(wěn)定邊界條件及性能變化規(guī)律、葉片局部柔性結(jié)構(gòu)自適應(yīng)的啟動(dòng)擴(kuò)文減阻原理及方法、極端條件下壓縮機(jī)關(guān)鍵部件劣化機(jī)理及延壽關(guān)鍵技術(shù)、壓縮機(jī)組主輔設(shè)備復(fù)雜系統(tǒng)的集成耦合及優(yōu)化、壓縮機(jī)組復(fù)雜系統(tǒng)振動(dòng)故障機(jī)理及智能聯(lián)鎖保護(hù)原理與方法、壓縮機(jī)組自愈調(diào)控原理和故障靶向抑制方法。

　　其中，中國(guó)通用機(jī)械研究院陳學(xué)東研究員負(fù)責(zé)“極端條件下壓縮機(jī)關(guān)鍵部件劣化機(jī)理及延壽關(guān)鍵技術(shù)”課題、趙遠(yuǎn)揚(yáng)博士負(fù)責(zé)“多干擾復(fù)雜工況下壓縮機(jī)系統(tǒng)的非穩(wěn)定邊界條件及性能變化規(guī)律”課題。

　　日前，“973”計(jì)劃項(xiàng)目高端壓縮機(jī)組高效可靠及智能化基礎(chǔ)研究課題結(jié)題驗(yàn)收會(huì)議在北京舉行。科技部基礎(chǔ)研究司及基礎(chǔ)研究管理中心、“973”計(jì)劃顧問、項(xiàng)目專家組和項(xiàng)目及課題負(fù)責(zé)人出席了會(huì)議。驗(yàn)收專家給6個(gè)課題的評(píng)審結(jié)果全部為優(yōu)秀，項(xiàng)目順利通過驗(yàn)收。