1、離心式壓縮機(jī)是一種以氣體為工作介質(zhì)的高速旋轉(zhuǎn)葉輪機(jī)械，依靠葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，使氣體壓力和速度都得到提高。依靠這一特性，離心式壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用于石油、化工、天然氣輸運(yùn)、冶金、礦山等領(lǐng)域，是石油、化工等行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備。葉輪作為離心式壓縮機(jī)的核心部件，工作環(huán)境具有高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速、工作介質(zhì)種類繁多等特點(diǎn)，在其長期工作服役過程中，要承受離心載荷、工作介質(zhì)的氣動(dòng)載荷、振動(dòng)載荷、腐蝕介質(zhì)的作用及顆粒雜質(zhì)的沖擊磨損，往往會(huì)產(chǎn)生各種損傷，如開裂

2、、破斷、減薄、變形等，這其中，應(yīng)力和腐蝕環(huán)境共同導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕破裂具有很強(qiáng)的隱蔽性和突然性，葉輪一旦發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂，往往會(huì)導(dǎo)致重大安全事故的發(fā)生，因此，開展離心式壓縮機(jī)葉輪應(yīng)力腐蝕研究，掌握葉輪材料在實(shí)際服役環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕行為和機(jī)理，對(duì)于葉輪的設(shè)計(jì)和制造、保障企業(yè)安全生產(chǎn)和提高企業(yè)效益都有重要作用。本文依托國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目“再制造對(duì)象的多強(qiáng)場、跨尺度損傷行為與機(jī)理，可再制造的臨界閾值(2011CB01340

3、1)”，模擬管道離心式壓縮機(jī)葉輪實(shí)際服役環(huán)境，通過數(shù)值模擬方法、電化學(xué)方法、慢應(yīng)變速率拉伸應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)法和恒位移預(yù)制裂紋應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)法，系統(tǒng)開展了葉輪鋼FV520B及其焊接接頭在高溫、高壓H2S/CO2環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)研究，得到如下研究成果:
　　(1)采用數(shù)值模擬方法，分析了離心式壓縮機(jī)葉輪內(nèi)部流場對(duì)葉片應(yīng)力場、溫度場、速度場以及腐蝕介質(zhì)分布的影響規(guī)律。流固耦合前后葉片等效應(yīng)力分布趨勢基本相同，最大值都位于葉片吸力

4、面上，靠近前緣與輪蓋的結(jié)合處。H2S在葉輪葉片吸力面、壓力面靠近前輪蓋處濃度較高，并且從葉輪入口至出口處，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大。CO2由于分子質(zhì)量更大，因此主要分布在葉片吸力面靠近后輪蓋處以及壓力面前部，并且從葉輪入口至出口含量逐步降低。葉片點(diǎn)蝕坑是葉片等效應(yīng)力最大的位置，同時(shí)，流體速度在點(diǎn)蝕坑處急劇降低，造成H2S和CO2在點(diǎn)蝕坑處富集，進(jìn)而成為應(yīng)力腐蝕裂紋的起源處。
　　(2)通過分析FV520B葉輪鋼及其焊接接頭在高溫、高壓H

5、2S/CO2環(huán)境中的電化學(xué)極化曲線，研究了H2S濃度、CO2濃度、溫度、壓力等環(huán)境參數(shù)對(duì)材料自腐蝕電位、腐蝕電流密度的影響規(guī)律，結(jié)果顯示H2S在FV520B的電化學(xué)腐蝕過程中占主導(dǎo)地位，H2S的加入不但加速了FV520B葉輪鋼的陽極溶解，對(duì)FV520B葉輪鋼陰極反應(yīng)也有很大的促進(jìn)作用，隨著H2S濃度的升高，F(xiàn)V520B自腐蝕電位降低，自腐蝕電流密度升高，腐蝕速率增加，當(dāng)H2S摩爾百分比濃度高于12％時(shí)，F(xiàn)V520B自腐蝕電位開始趨于穩(wěn)定

6、。與母材相比，F(xiàn)V520B焊接接頭在同樣環(huán)境中的自腐蝕電位相對(duì)更負(fù)，自腐蝕電流密度更高，腐蝕速率更快。
　　(3)FV520B葉輪鋼在含H2S和CO2環(huán)境中發(fā)生了明顯的應(yīng)力腐蝕破裂，應(yīng)力腐蝕裂紋起源于材料表面，并向材料內(nèi)部擴(kuò)展，擴(kuò)展方向垂直于應(yīng)力方向，裂紋特征符合穿晶型應(yīng)力腐蝕開裂特征，在試樣側(cè)面出現(xiàn)點(diǎn)蝕坑和細(xì)小裂紋，在應(yīng)力的作用下逐漸擴(kuò)展形成橫向裂紋，試樣斷口微小裂紋明顯增加，并且形成臺(tái)階狀的二次裂紋擴(kuò)展形貌，說明FV520B在

7、含H2S和CO2環(huán)境中的斷裂形式為穿晶解理型脆性斷裂，H2S對(duì)FV520B葉輪鋼的應(yīng)力腐蝕起主導(dǎo)作用，隨H2S濃度的增加，材料力學(xué)性能不斷降低，應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)上升。H2S濃度的升高可以加速FV520B陽極溶解反應(yīng)，同時(shí)，大量的氫進(jìn)入材料內(nèi)部并在內(nèi)部缺陷處富集，在外加載荷的作用下導(dǎo)致材料發(fā)生氫致開裂。因此，F(xiàn)V520B的應(yīng)力腐蝕機(jī)理為陽極溶解和氫致開裂混合機(jī)制，裂紋擴(kuò)展模式為穿晶型應(yīng)力腐蝕開裂。
　　(4)葉輪鋼FV520B焊接

8、接頭在含H2S和CO2環(huán)境中的抗應(yīng)力腐蝕性能較差，H2S濃度變化對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感性影響較小，即使在H2S濃度很低的情況下，焊接接頭的應(yīng)力腐蝕傾向仍然非常嚴(yán)重。焊接工藝導(dǎo)致FV520B焊接接頭內(nèi)部存在大量的氣孔和夾雜等缺陷，表面的缺陷會(huì)導(dǎo)致試樣表面形成點(diǎn)蝕坑，進(jìn)而發(fā)展為橫向裂紋，內(nèi)部的缺陷則會(huì)成為氫原子的聚積處，在氫壓和應(yīng)力的作用下形成孔洞，進(jìn)而產(chǎn)生氫致開裂裂紋。由于焊接缺陷的存在，焊接接頭試樣斷口凹凸不平，并且存在明顯的臺(tái)階狀二次裂紋，解

9、理特征明顯，體現(xiàn)了氫致開裂機(jī)制。溫度對(duì)FV520B焊接接頭在H2S/CO2環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕影響較大，F(xiàn)V520B焊接接頭拉伸過程中自腐蝕電位變化規(guī)律與其應(yīng)力腐蝕敏感性隨溫度變化規(guī)律相同，隨著溫度升高，自腐蝕電位升高，應(yīng)力腐蝕敏感性降低。
　　(5)通過對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)的回歸分析，建立FV520B及其焊接接頭應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)與H2S含量、CO2含量、溫度和壓力等實(shí)驗(yàn)介質(zhì)參數(shù)之間的交互型數(shù)學(xué)模型，結(jié)果顯示H2S濃度、溫度對(duì)FV5

10、20B應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù)的影響較為顯著，同時(shí)，溫度分別與其它三個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù)產(chǎn)生交互作用。溫度對(duì)FV520B焊接接頭的應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù)影響最為顯著，同時(shí)，CO2濃度與壓力對(duì)其應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù)產(chǎn)生交互作用。
　　(6)恒位移預(yù)制裂紋應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)顯示，F(xiàn)V520B葉輪鋼在H2S/CO2環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率隨加載應(yīng)力強(qiáng)度因子的升高而逐漸增大，兩者近似呈線性關(guān)系。隨著H2S濃度的升高，導(dǎo)致材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子