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某离心压缩机叶轮断裂失效原因分析

刘明霞 张海存 李德林*/ 西安陕鼓动力股份有限公司    

Abstract
摘要:针对某型号离心压缩机叶轮的断裂失效问题,采用金相检测手段检测了失效叶轮的焊接接头,并利用商用软件ANSYS从焊接的角度对叶轮结构受力进行了模拟计算与分析。结果发现,叶片和轮盘焊接角接头存在应力集中,进一步计算表明,在存在焊接缺陷的情况下,较小的作用力就能促使应力达到很大峰值,应力集中加速了裂纹的扩展及失稳,从而造成产品的结构失效。
关键词:离心压缩机;叶轮;断裂;应力集中
中图分类号:TH452 文献标志码:A
Fracture Failure Analysis of a Certain Centrifugal Compressor Impeller
Abstract: To analyze the fracture failure of a centrifugal compressor impeller, the metallography oberservation was adopted to characterize the defects in the welded joint, while the comerical software ANSYS was used to simulated and analyze the force of the compressor impeller. The result indicates the exist of stress concentration around the welded root between the blade and the wheel. The stress simulation results exhibit that even the relative low force could induce the pretty high stress valuewhen there is defect, which would result in crack and fracutre. As the result, the stress concentration could accelerate crack progagation and finally result in failure of the whole structure.
Key words: centrifugal compressor;impeller;failure;stress concentration
1 概述
  随着离心压缩机叶轮制造工艺技术的发展,出现了焊接结构叶轮[1] ,这是风机叶轮制造工艺的一次变革,它使生产三元流、高速、高压、高强度、特殊性能、窄流道、高质量、长寿命及安全可靠的叶轮成为现实。近年来,高速离心叶轮已基本上全为焊接结构[2-4]
     某型号焊接结构的离心叶轮采用低碳调质钢15MnNiCrMoV,运行一段时间后第3级叶轮发生失效,故障叶轮带有明显解体疲劳破坏特征。叶轮的宏观裂纹位置在叶片进口轮盖侧,具体如图1所示,可以清楚地观察到疲劳源位于叶片与轮盘焊接引弧区。

图1 疲劳裂纹源位于叶片与轮盖焊接起始部位图

2 焊接缺陷检测
  首先选取叶轮中的典型失效叶片分析了失效叶轮的焊接接头及其缺陷,采用金相检测手段,尝试找出相应的失效原因。结果发现,角接头存在严重的焊接缺陷,包括未焊透、接头组织粗化和裂纹等。
  经过检测,所检查部位的叶片角焊接均出现了未焊透现象,典型照片见图2,且未焊透尺寸较大,接近甚至大于单侧焊缝及叶片厚度,这意味着实际承载面积严重减少,导致叶轮服役过程中焊缝上承受较大的工作应力。形成未焊透的原因有两个方面:一是设计上的,依据工艺要求有不需要焊透的部位;二是焊工操作层面上的,剖口尺寸小,焊接方位不正确,电流小等原因[5-7]

图2 失效叶轮中叶片角接头中的未焊透及未熔合图

图3 焊缝的有限元模型图

3 应力分析
3.1 分析方法

  为了分析角焊缝的焊脚尺寸对静载强度的影响,针对角焊缝焊接接头中出现的主要缺陷——未焊透进行静力学分析。将焊接叶轮焊接接头简化为一个带有两个角焊缝的T型接头,利用Ansys11.0软件平台进行有限元数值建模及变形与应力分析。这个模型虽然不能完全反映焊接叶轮的真实受力情况,但分析结果对理解焊接叶轮的失效具有意义[8-11]
  采用有限元数值建模时,将焊接叶轮角焊缝结构简化为如图3所示的T型接头,图中模拟叶片厚度为9mm,高度为50mm;模拟轮盘厚度为15mm,长度为100mm。假设有一静载力F=300N作用于叶片的顶端,分别对焊透角焊缝、焊透打磨过渡圆角、未焊透角焊缝及未焊透打磨过渡圆角四种情况,在同样的施力条件下的应力分布情况进行数值模拟计算与分析。

图4 不同接头的应力分布云图

3.2 结果与讨论
  应力计算结果见图4。由云图可以看出,在叶片末端横向加载时,在焊缝根部及未焊透的根部均出现了应力集中,其中未打磨圆角时焊缝根部的应力集中高于打磨过渡圆角后的应力。比较图4中的(a)、(b)、(c)和(d),可以看出,未焊透根部的应力集中情况较严重,这与Ejaz等人的分析结果一致[12-14]
  将模拟轮盘上边缘(未焊透缺陷所在直线)的应力分布情况(如图5)和应力峰值(如图6)进行比较。图5(a)和(b)给出了未焊透对Mises等效应力分布的影响。可见,在完全焊透的情况下,应力峰值出现在焊趾根部,大小约260MPa;而当存在未焊透缺陷时,应力峰值出现在未焊透缺陷根部(±3mm处)的位置,其大小远高于完全焊透时的值。这说明未焊透缺陷造成了严重的应力集中,使结构中存在薄弱环节,而未焊透本身也相当于裂纹,在较小的应力作用下其应力集中就会导致裂纹尖端达到裂纹扩展应力门槛值,从而加速损伤。因此未焊透缺陷对接头的静载能力影响很大。

图5 轮盖上边缘应力分布图

图6 不同情况下的应力峰值图

  图5(c)和(d)表示过渡圆角对应力分布的影响。在完全焊透无过渡圆角的情况下,应力峰值出现在±12.5mm处;而当加工了过渡圆角之后,应力峰值的位置(约±10.0mm处)略向焊缝中心移动(如图5(c)),应力峰值略有降低,但中心的平均应力增加。存在未焊透缺陷时,过渡圆角使得未焊透根部应力值由560MPa增加到810MPa(如图6)。分析认为,这是由于加工过渡圆角造成了实际承载面积的减小。此时,虽然光滑过渡减小了焊趾处的应力集中,但其减小的应力将由中间部位承担,当存在未焊透缺陷的时候根部的应力增加显著。由此可见,过渡圆角的具体形式及其打磨尺寸的选择对结构强度影响较大,在制定工艺参数的时候应慎重。
4 结论
  采用金相检测和有限元模拟方法对某型号离心压缩机叶轮的断裂行为及其机理进行了检测与分析。结果表明:
  1) 所失效部位的叶片角焊接存在明显的应力集中;
  2) 叶片根部应力集中加速了裂纹的扩展及失稳,成为叶片断裂失效的主要因素;
  3) 过渡圆角的形式及打磨尺寸的选择对结构强度影响较大,建议调整和精确控制加工的工艺参数。
                  参 考 文 献
[1] James M Sorokes, Mark J Kuzdzal,张海界.离心压缩机的发展历史[J].风机技术,2011(3):61-71.
[2] 赵健仓.风机叶轮焊接工艺的现状及展望[J].风机技术,2001(1):23-27.
[3] 倪海毅.钎焊叶轮的无损检测[J].风机技术,2011(4):38-39.
[4] 刘万青.大型离心压缩机焊接叶轮疲劳分析[D].大连理工大学硕士学位论文,2008.
[5] 张敏,晁利宁,李继红,等.某焦炉煤气风机叶轮断裂失效分析[J].材料热处理技术,2011,40(12):190-193.
[6] 王亚勤,王志明.离心压缩机2级叶轮断裂失效分析[J].现代制造工程,2006(1):116-117.
[7] 金涛,汪希萱,胡明辅.离心风机叶轮飞裂原因分析[J].流体机械,1999(1):37-40. 
[8] 李春满, 乔社宁, 王三俊. K4250离心叶轮裂纹分析与改进设计[J].风机技术,2012(6):42-45.
[9] 乔社宁,周根标,李春满, 等.钢板焊接叶轮强度的有限元分析及结构改进[J].风机技术, 2011(2):32-34.
[10] 许敏, 薛惠芳.基于SolidWorks的鼓风机叶轮有限元分析[J].风机技术, 2011(4):43-47.
[11] 丁铁华.基于有限元法的离心风机叶轮强度分析与结构优化[J].风机技术, 2011(6):14-17.
[12] 王春光,邓德伟,王永,等.离心压缩机一级叶轮开裂分析[J].理化检验-物理分册, 2009,45:228-231.
[13] Ejaz N,Salam I,Tauqir A.Fatigue failure of a centrifugal compressor[J].Engineering Failure Analysis,2007,14(7):1313-1321.
[14] 毛义军, 祁大同, 许庆余.离心压缩机叶轮叶片疲劳断裂故障的数值分析[J].西安交通大学学报,2008,42(11):1336-1339.

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