离心式压缩机叶轮应力腐蚀行为和机理研究

张尧

摘 要：针对离心式压缩机叶轮，文章对其应力腐蚀行为进行了分析，其中包括应力腐蚀破裂定义、影响应力腐蚀破裂的因素、有关的控制方法等。然后，针对应力腐蚀，探讨了与其有关的机理，如阳极溶解型机理（快速溶解机理、滑移—溶解机理、腐蚀断裂机理），希望能为相关人员提供借鉴。

关键词：压缩机;应力腐蚀破裂;氢致开裂型机理;混合机理

中图分类号：TG172.9 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）10--02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.10.052

就离心压缩机而言，其结构分为两部分，一部分为转子结构，另一部分为定子结构。在转子结构中，还分为叶轮及主轴。就叶轮而言，其构成部分是非常多的，比如叶片及轮盘等;针对定子结构来说，其构成有扩压器及回流器等。针对离心压缩机来说，其主要是通过叶轮高速旋转，促进气体的旋转，基于离心力的作用，会在很大程度上增加气体压力，提升气体速度。在这之后，气体会到达扩压器中，会使得通流面积持续扩大，扩压道也会对气体进行挤压，导致气体压力上升。从中可以看出，通过叶轮的高速旋转，能实现气体做功，这是导致气体压力上升的关键因素。

1 应力腐蚀行为

在离心式压缩机中，叶轮属于关键部件，其对工作环境有着较高的要求，比如高温及高转速等。基于长时间的工作服役，其不但会遭受离心荷载及热应力等的作用，还会被颗粒杂质进行冲击，通常会造成多种损伤问题，比如开裂及变形等。对于离心式压缩机而言，导致其叶轮出现损伤的原因，包括疲劳及磨损等作用。被用在天然气运输中的压缩机，其工作介质中一般都存在硫化氢等腐蚀性介质，基于应力及腐蚀介质的作用，很容易出现应力腐蚀破裂现象。

1.1 应力腐蚀破裂定义

针对应力腐蚀破裂来说，其是在应力作用下，比如拉应力及内应力，金属材料处于指定的腐蚀介质中，因为腐蚀介质同應力一起发生作用，而引起的脆性断裂问题。基于腐蚀介质环境，在这之中，材料不会出现应力作用，也不会产生应力腐蚀行为，但是材料却只会被应力作用，如果无腐蚀作用，那么也将不能导致应力腐蚀破裂。就应力腐蚀行为特点来看，其会出现应力腐蚀裂纹，这些裂纹在材料中进行扩展时，一般都是围绕金属晶界得以发展的，其还能穿过晶界，进而产生穿晶型开裂线性。针对应力腐蚀裂纹来说，其会持续扩展，会在很大程度上降低其结构性能，达到一定程度就会造成金属破裂。所以，其有着较大的突然性及隐蔽性，若是出现，通常会导致不可估量的损失[1]。

1.2 影响应力腐蚀破裂的因素

材料形成应力腐蚀行为，需要具备应力作用，通常而言，拉应力能够致使应力腐蚀。同时，对于裂纹延伸方向及应力方向来讲，二者呈现垂直关系，而就压应力来说，能够阻碍应力腐蚀。然而，也有研究显示，在部分特殊情况下，压应力也会造成腐蚀破裂。材料形成应力腐蚀破裂，就其应力来源来讲，一般包括：

构件服役中，承担外加载荷而形成的应力;在生产制造中，致使的残余应力;因为腐蚀物聚集在裂缝中，致使体积效应，从而形成一定的拉应力，在此基础上，出现应力腐蚀行为。

基于特殊的腐蚀环境，再加上独特的金属，方可形成应力腐蚀行为。对于某一金属，并非全部的腐蚀介质均会致使应力腐蚀行为。除此之外，存在一系列参数，可能影响应力腐蚀的形成，如酸碱度、环境介质类别等。一般情况下，纯金属难以形成应力腐蚀，金属存在一定的杂质，再加上合金，这样容易出现应力腐蚀破裂。这主要是由于：当处于腐蚀介质环境时，对于纯金属来讲，其不会形成电化学腐蚀，故而不会出现应力腐蚀行为;而在合金中有着较多的成分，基于环境介质，会进一步影响到材料腐蚀性能。另一方面，金属结构的差异，也可能对应力腐蚀造成一定的影响。如奥氏体不锈钢，当被较弱应力作用时，极有可能形成滑移，致使应力腐蚀开裂;而对于铁素体来讲，极有可能形成交叉滑移，不易发生滑移台阶，所以相比之下，较难形成应力腐蚀行为。

1.3 应力腐蚀破裂控制方法

科学选取材料。若是处于特定的环境介质中，需对有效性开展全面分析，以此为前提，科学选取材料。建议选取还没有产生应力腐蚀的材料，同时应进一步增强材料纯度，降低冶炼时出现杂质及加工不足等现象;对金属涂层进行分析，在金属同环境之间构建隔离防护，最大限度防止出现应力腐蚀行为[2]。

合理掌控环境。对环境温度进行合理掌控，若是条件允许时，需尽可能地降低温度，降低内外环境的温度差异;对环境介质中存在的氧量及pH值加以有效控制，降低环境中的有害介质含量;添加缓蚀剂，针对金属表面，需构建一层保护膜，以减少阳极溶解反应，进而有效防止应力腐蚀现象出现。

减小及消除应力。对金属结构设计进行适当的调整，防止材料的局部应力聚集在一起，避免会导致腐蚀介质聚集的部位，最大限度防止缝隙产生;借助科学的热处理工艺，彻底消除加工及制造等环节生成的残余应力。

2 应力腐蚀机理

2.1 阳极溶解型机理

快速溶解机理。有关研究人员认为，对金属材料而言，其表面的电化学是不平均的，基于腐蚀的介质环境，会促使其表面形成局部电化学腐蚀;基于外加应力的作用，会在表面产生很多细小的裂纹，在裂纹的尖端会使应力聚集在一起，进而让该区域形成屈服。与此同时，会出现位错，然后抵达裂纹尖端，形成活性溶解点，进而会让裂纹尖端发展成腐蚀的阳极，促进其更快地溶解。除此之外，还有部分研究人员认为，基于阳极溶解理论的前提下，可以实现自催化效应。其认为，当材料表面产生细小裂纹之后，在裂缝内部是保持着活性溶解状态的，而其外部金属则是钝化状态，进而产生了局部腐蚀电池;同时，因为腐蚀介质会在裂纹内停留，同金属表面形成浓差电池，这也进一步促进了阳极的迅速溶解。

滑移—溶解机理。针对奥氏体不锈钢，关于其应力腐蚀行为，一般借助该机理来进行解释，起初通过Logan提出滑移—溶解模型，通过不断的发展，该理论得到了充实。当处于腐蚀介质环境时，在不锈钢表层会形成保护膜，通过应力的作用，促使钢形成滑移，呈现新的金属;基于腐蚀介质的影响，出现一定的裂纹，在此之后，金属表层又产生保护膜;不断重复这样的过程，使得裂纹持续向纵深延伸，最后导致材料形成断裂。针对沿晶型断裂，通过这一机理，可以充分解释腐蚀开裂情况。

应力腐蚀断裂机理。就金属表面钝化膜来看，基于应力及腐蚀介质的作用，会生成局部阳极溶解，从而出现很多空位，这也形成了错位移动，让硬化层更加松弛，在进行塑形的过程中，会形成三向应力，产生微小裂纹。针对裂纹顶端而言，择优溶解将导致应力聚集在一起，如果应力增加将进一步强化材料塑形，让它在裂纹尖端的周围，推动其局部进行溶解，促使应力腐蚀裂缝的产生及发展。

2.2 氢致开裂型机理

气压理论。这一理论认为：基于腐蚀介质环境，金属会形成阴极吸氢作用，出现很多氢原子，随之进入金属中;同时，在缺陷的地方聚集，在有效融合氢原子的基础上，会产生分子氢，且形成很大的氢压，再加上外加应力的影响，从而促使材料形成氢致开裂[3]。

氢降低原子键结合力理论。该理论认为氢原子进入材料内，会集中在三向应力区，进而导致金属原子结合力下降，在比较小的外应力作用下，材料就会出现脆性断裂。

氢脆理论。因为腐蚀的阴极在发生还原反应时会出现氢原子，当其发展到裂缝尖端金属内，该区域就会变脆，基于应力作用，就会出现氢致滞后开裂。除此之外，当金属产生应力腐蚀时，裂缝尖端位置的溶液將进行高度酸化，其pH值也将大幅降低，比如钛合金的pH值将降到3.5。

位错输送理论。这一理论认为基于慢应变作用，氢原子可看作错位气团，同错位共同发展，指出现晶界及第二相质点问题时，氢原子才会聚集到缺陷位置，这会导致材料出现局部硬化现象。借助位错输送，会使材料内缺陷位置的氢浓度快速增加，进而形成强大的氢压，引起材料脆性断裂行为。

2.3 混合机理

就近中性pH环境来看，当发生应力腐蚀行为时，不管是阳极溶解型机理，还是氢致开裂型机理，这两者都不能单独做出有效解释。相关研究人员提出的二者交互作用机理，深受大部分人的认可。通过拉伸应力试验及循环载荷实验，对所得的应力腐蚀产生的裂缝速率进行了计算，可以得出，其扩展速率要远超出通过拉法第定律求出的扩展速率;对此，研究学者认为，在近中性pH环境中，产生应力腐蚀开裂，是基于阳极溶解及氢致开裂进行混合后的过程。除此之外，还有人对奥氏体不锈钢进行了研究，基于电解充氢条件产生的应力腐蚀行为，可以看出氢原子在金属内部，虽然在裂尖部位聚集起来，但是其浓度却在临界值以下，材料将无法形成氢致开裂;但是，在进行预充氢之后，其应力腐蚀门槛值将降低，应力腐蚀速率还会有所增加，达到之前的10倍。

3 结语

就离心式压缩机来看，其通常是将气体当作运行介质，凭借叶轮旋转而形成离心力，让气压力及速率有所增加。凭借该特性，离心式压缩机被普遍运用在多个领域，比如石油及化工领域，作为重要的设备应用。在离心式压缩机中，叶轮属于关键部件，其工作环境是高温及高压等条件，基于长时间的工作服役，会被振动载荷及离心荷载等造成影响。除此之外，还会被颗粒杂质进行冲击磨损，从而出现不同程度的损伤，如变形等。在这之中，应力及腐蚀环境都会造成应力腐蚀开裂，具有极大的突然性，若是叶轮出现应力腐蚀破裂，通常会造成极大的安全事故。对此，有必要对应力腐蚀行为进行研究，了解叶轮材料在具体环境下的应力腐蚀行为及机理特征，这将促进叶轮的科学设计及制造，实现企业的健康生产，增加其经济效益。

参考文献

[1] 潘聚义.离心压缩机叶轮用钢X12Cr13应力腐蚀和疲劳特性研究[D].济南：山东大学，2020.

[2] 顾世堂，侯文英，刘宏伟.离心压缩机叶轮应力分析及优化[J].内蒙古科技大学学报，2019，36（2）：141-143.

[3] 孙蛟.离心压缩机叶轮应力腐蚀行为和机理的研究[D].济南：山东大学，2019.