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鼓风机叶轮断裂分析
徐学东 张亦良
(北京工业大学材料学院 北京100022)
摘 要：鼓风机投入运行仅一年多因叶轮突然断裂而发生爆炸。对断裂的叶轮材质进行了化学成分及力学性能测定，并用光学显微镜及扫描电镜对材料的组织及断口进行了检验。检验结果表明，热处理工艺控制不当及叶轮材料中存在的锻造缺陷，是导致裂纹产生、造成脆性断裂的主要原因。
主题词： 鼓风机叶轮； 断裂； 力学性能； 微观组织
1 情况简介
某厂鼓风机是煤气生产的关键设备之一，主要负责煤气的输送。该鼓风机在正常高速运转时，运行仅一年多的叶轮突然发生断裂，造成鼓风机爆炸，引起火灾，尽管采取紧急措施切断气源，但30余辆救火车奋战3个多小时才将大火扑灭。该事故严重影响了煤气的正常供应，带来直接、间接经济损失数千万元，为建国以来该行业最大恶性事故。断裂叶轮见图1。
图1 失效叶轮实物照
2 理化检验
生产厂家提供的鼓风机叶轮材料为意大利牌号X12Cr13马氏体型不锈钢。经查《世界钢号手册》，X12Cr13马氏体型不锈钢的材料成分、性能及用途均与国产材料1Cr13相当，故所有检验项目均按国产1Cr13进行。
2.1 化学成分分析
考虑到前、后轮的差异，因此在前、后轮各取一块试样进行化学成分分析。分析结果表明，断裂叶轮的化学成分基本符合X12Cr13成分标准。由于鼓风机叶轮属于锻造构件，按JBöT6398-1992《大型不锈、耐酸、耐热钢锻件》标准，该材料成分在标准范围之内。
2.2 力学性能测试
对断裂叶轮进行了拉伸、冲击及硬度检验。拉伸试样取自叶轮断裂中心处较厚部位，共取3根圆形标准试样，试验按国标GB228-1987进行；冲击试验按国标GBöT229-1994进行，采用金属夏比(V型缺口)试验，在爆炸飞出的断裂叶轮残骸上取9个试样(未经受火灾高温)，从损坏的叶轮上取2个试样(已经受火灾高温)，结果两者无大差异；硬度试样取自叶轮上，共取4个试样，试验按国标GB231-1984进行。
检验结果表明，拉伸试验断口有明显颈缩现象，为韧性断口。冲击试验断口均为平断口，呈明显脆性断裂。断裂叶轮力学性能平均值与JB/T6398-1992中所规定1Cr13马氏体型钢的力学性能比较列于下表。
表中数据表明，①强度指标远大于标准值，显示出该材料强度很高。②塑性指标中的伸长率明显不足，而断面收缩率则比标准值仅高14%，显示出该材料塑性不好。③冲击吸收功大大低于标准值，相对误差为-81.5%，表现出该材料冲击性能极差。④硬度指标比标准值高51.6%，显示出该材料具有较高的硬度。
2.3 金相检验
金相试样取自于断裂叶轮后轮，按GB/T13298-1991进行检验。先用光学显微镜观察，再用扫描电子显微镜做进一步分析检验。
(1)光学显微镜下，其组织为板条状马氏体+少量铁素体，但晶粒粗大，且发现大量空洞及少量夹杂物，见图2。
图2 晶粒粗大的板条马氏体 300×
图3 疏松空洞及裂纹
(2)扫描电镜进一步验证了光学显微镜检验结果。同时发现材料中除有大量疏松空洞外，还有少量裂纹存在，见图3。对夹杂物进行元素分析，结果表明，夹杂物元素为Ca，Fe，Cr和Mn等，其中Ca含量最高。
2.4 断口检验
2.4.1 宏观检验
断裂叶轮沿中心线裂开，前轮板一部分飞出。裂纹起裂处位于叶轮后轮板表面，扩展至整个后板及前板。失效叶轮断口由三部分组成:①裂纹源区，叶轮后板断口呈粗糙的脆断形式。②脆性断裂区，后轮板上裂纹源区周围呈现清晰的放射状区域。③撕裂区，前板、后板与叶片的联接处呈现撕裂状。
2.4.2 微观检验
在后轮板开裂源区附近取金相试样，经清洁表面后用体式显微镜和扫描电镜观察。检验结果表明，在裂纹源区造成裂纹的原因是锻造缺陷，即砂眼及材料中富铬的硬质夹杂物，见图4。这些锻造缺陷使得叶轮在工作状态下局部产生应力集中导致裂纹的产生和扩展。在断裂区还发现材料中有较多的空洞，这与光镜下观察结果吻合。断口观察中可以清楚地看出断口呈现解理及晶间断裂的特征。此外，由于开裂造成或引发的二次裂纹也呈现出晶间断裂的特征，见图5。这些均表明失效叶轮的断裂性质为脆性开裂。
图4 裂纹源区的锻造缺陷
图5 断口中的大量二次裂纹
3 叶轮断裂原因分析
(1)由检验结果可知，失效叶轮材料为1Cr13类不锈钢锻造构件，其组织为马氏体且晶粒较为粗大。而1Cr13不锈钢锻造结构件在成型锻造后应进行淬火回火处理，正常组织为回火索氏体。可见该断裂叶轮锻前加热工艺控制不当，导致晶粒长大，而锻后热处理也未能使马氏体转变为回火索氏体，导致其材料的韧性差。
(2)力学性能测试结果表明，断裂叶轮强度性能高出标准值50%以上，而韧性指标大大低于标准值，硬度指标也高出标准值50%以上，这些现象都表明该材料处于淬火状态。以硬度为例，1Cr13经淬火和回火后硬度应在170～200HB之间，而断裂叶轮的硬度高达241HB，明显与回火组织的硬度不符。1Cr13不锈钢在淬火和回火之后才能获得较好的强度与韧性的配合。
(3)断口分析结果表明，该裂纹的产生系锻造缺陷所致，断裂性质为脆性断裂。
4 结论
失效叶轮材料为1Cr13不锈钢大型锻造材料。造成叶轮断裂的原因是材料中存在锻造缺陷和热处理工艺控制不当。工件的锻造缺陷使得材料的组织及性能先天不足，而热处理工艺不当使得材料组织处于晶粒粗大的淬火状态，且具有高强度高硬度低韧性性能，由此造成叶轮在工作状态下，一旦裂纹产生即高速扩展，最终导致叶轮突然断裂。
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