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某离心压缩机叶轮断裂失效原因分析

2016-10-13 10:34:44点击:

Abstract
摘要:对于某类型离心压缩机叶轮的开裂失效疑问,选用金相查看手法查看了失效叶轮的焊接接头,并使用商用软件ANSYS从焊接的视点对叶轮构造受力进行了模仿核算与剖析。成果发现,叶片和轮盘焊接角接头存在应力会集,进一步核算表明,在存在焊接缺点的状况下,较小的作用力就能促使应力到达很大峰值,应力会集加快了裂纹的拓展及失稳,然后构成商品的构造失效。
关键字:离心压缩机;叶轮;开裂;应力会集
中图分类号:TH452 文献象征码: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
  跟着离心压缩机叶轮制作工艺技术的发展,呈现了焊接构造叶轮[1] ,这是风机叶轮制作工艺的一次革新,它使出产三元流、高速、高压、高强度、特别功能、窄流道、高质量、长寿命及安全可靠的叶轮变成实践。这些年,高速离心叶轮已基本上全为焊接构造[2-4] 。
     某类型焊接构造的离心叶轮选用低碳调质钢15MnNiCrMoV,运转一段时间后第3级叶轮发生失效,故障叶轮带有显着崩溃疲惫损坏特征。叶轮的宏观裂纹方位在叶片进口轮盖侧,详细如图1所示,能够清楚地观察到疲惫源坐落叶片与轮盘焊接引弧区。

图1 疲惫裂纹源坐落叶片与轮盖焊接开始部位图

2 焊接缺点查看
  首先选取叶轮中的典型失效叶片剖析了失效叶轮的焊接接头及其缺点,选用金相查看手法,测验找出相应的失效因素。成果发现,角接头存在严峻的焊接缺点,包括未焊透、接头安排粗化和裂纹等。
  通过查看,所查看部位的叶片角焊接均呈现了未焊透景象,典型相片见图2,且未焊透尺度较大,接近甚至大于单侧焊缝及叶片厚度,这意味着实践承载面积严峻削减,致使叶轮执役过程中焊缝上接受较大的作业应力。构成未焊透的因素有两个方面:一是规划上的,根据工艺请求有不需要焊透的部位;二是焊工操作层面上的,剖口尺度小,焊接方位不正确,电流小等因素[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 应力剖析
3.1 剖析办法

  为了剖析角焊缝的焊脚尺度对静载强度的影响,对于角焊缝焊接接头中呈现的首要缺点——未焊透进行静力学剖析。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,使用Ansys11.0软件渠道进行有限元数值建模及变形与应力剖析。这个模型尽管不能彻底反映焊接叶轮的实在受力状况,但剖析成果对了解焊接叶轮的失效具有意义[8-11] 。
  选用有限元数值建模时,将焊接叶轮角焊缝构造简化为如图3所示的T型接头,图中模仿叶片厚度为9mm,高度为50mm;模仿轮盘厚度为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状况,在相同的施力条件下的应力散布状况进行数值模仿核算与剖析。

图4 不一样接头的应力散布云图

3.2 成果与讨论
  应力核算成果见图4。由云图能够看出,在叶片结尾横向加载时,在焊缝根部及未焊透的根部均呈现了应力会集,其间未打磨圆角时焊缝根部的应力会集高于打磨过渡圆角后的应力。对比图4中的(a)、(b)、(c)和(d),能够看出,未焊透根部的应力会集状况较严峻,这与Ejaz等人的剖析成果一致[12-14] 。
  将模仿轮盘上边缘(未焊透缺点地点直线)的应力散布状况(如图5)和应力峰值(如图6)进行对比。图5(a)和(b)给出了未焊透对Mises等效应力散布的影响。可见,在彻底焊透的状况下,应力峰值呈现在焊趾根部,巨细约260MPa;而当存在未焊透缺点时,应力峰值呈现在未焊透缺点根部(±3mm处)的方位,其巨细远高于彻底焊透时的值。这说明未焊透缺点构成了严峻的应力会集,使构造中存在薄弱环节,而未焊透自身也相当于裂纹,在较小的应力作用下其应力会集就会致使裂纹顶级到达裂纹拓展应力门槛值,然后加快损伤。因而未焊透缺点对接头的静载才能影响很大。

图5 轮盖上边缘应力散布图

图6 不一样状况下的应力峰值图

  图5(c)和(d)表明过渡圆角对应力散布的影响。在彻底焊透无过渡圆角的状况下,应力峰值呈现在±12.5mm处;而当加工了过渡圆角以后,应力峰值的方位(约±10.0mm处)略向焊缝中心移动(如图5(c)),应力峰值略有下降,但中心的均匀应力添加。存在未焊透缺点时,过渡圆角使得未焊透根部应力值由560MPa添加到810MPa(如图6)。剖析认为,这是因为加工过渡圆角构成了实践承载面积的减小。此刻,尽管润滑过渡减小了焊趾处的应力会集,但其减小的应力将由中间部位承当,当存在未焊透缺点的时分根部的应力添加显着。由此可见,过渡圆角的详细方式及其打磨尺度的挑选对构造强度影响较大,在制定工艺参数的时分应稳重。
4 定论
  选用金相查看和有限元模仿办法对某类型离心压缩机叶轮的开裂做法及其机理进行了查看与剖析。成果表明:
  1) 所失效部位的叶片角焊接存在显着的应力会集;
  2) 叶片根部应力会集加快了裂纹的拓展及失稳,变成叶片开裂失效的首要因素;
  3) 过渡圆角的方式及打磨尺度的挑选对构造强度影响较大,主张调整和准确操控加工的工艺参数。