汽輪機(jī)第14級(jí)動(dòng)葉片斷裂原因分析

1 概述

遼陽某熱電廠5#汽輪機(jī)在2012年4月19日的停機(jī)大修期間，發(fā)現(xiàn)該機(jī)第14級(jí)（末3級(jí)）動(dòng)葉片中的一只葉片在拉筋孔處斷裂，另有3只同一類型的葉片在拉筋孔處也出現(xiàn)了裂紋。該葉片材質(zhì)為2Cr13不銹鋼，已經(jīng)使用10年左右的時(shí)間；該葉片接觸的介質(zhì)為320℃~420℃，壓力2.0MPa的過熱蒸汽。

2 檢驗(yàn)分析

2.1葉片宏觀與低倍分析

取兩只葉片，其中一只是在拉筋孔處斷裂的葉片，編號(hào)為A；另一只是在拉筋孔處有一10mm長裂紋的葉片，編號(hào)為B，見圖1。A、B兩葉片都為T型葉根的等截面直葉片。

A葉片斷口平整，基本垂直于葉長方向，呈鐵灰色和細(xì)瓷狀，有多條鮮明的“海灘狀”疲勞弧線，該斷口為典型的疲勞斷裂；裂紋源為多個(gè)，且都在拉筋孔內(nèi)壁上的點(diǎn)蝕坑處。

B葉片裂紋的位置在該葉片拉筋孔的背弧面上，由拉筋孔處起始向出氣邊擴(kuò)展；將B葉片裂紋人為打開，就形成了一個(gè)“裂紋斷口”；該“裂紋斷口”平整，呈鐵灰色和細(xì)瓷狀，也有多條鮮明的“海灘狀”疲勞弧線；觀察這一“裂紋斷口”，其裂紋起源也是在拉筋孔內(nèi)和其附近的點(diǎn)蝕坑處。

通過對(duì)A葉片斷口和B葉片“裂紋斷口”的觀察分析，認(rèn)為A葉片的斷裂和B葉片的開裂屬于同一失效類型，即都是由點(diǎn)蝕坑處起源的疲勞斷裂。

裂紋源在葉片拉筋孔內(nèi)及附近的點(diǎn)蝕坑處。點(diǎn)蝕坑的存在使得拉筋孔處的應(yīng)力集中更加嚴(yán)重，致使疲勞裂紋在該處容易萌生并擴(kuò)展。

圖1 A、B葉片的宏觀形貌

2.2葉片材質(zhì)化學(xué)分析

從A、B葉片上，取塊狀樣品，依據(jù)CB/T16597-1996等標(biāo)準(zhǔn)，使用熒光光譜儀等，對(duì)其材質(zhì)進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示；可見，失效葉片的化學(xué)成分符合2Cr13鋼的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分要求。

表1 葉片B的化學(xué)成分分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

2.3葉片金相分析

在A、B葉片拉筋孔附近取金相樣品，經(jīng)預(yù)磨、拋光后，用三氯化鐵鹽酸水溶液浸蝕。

A、B葉片的金相組織為帶馬氏體位向的回火索氏體。

2.4葉片斷口掃描電鏡分析

借助于掃描電鏡，對(duì)A斷口和B葉片“裂紋斷口”進(jìn)行形貌觀察和元素成分能譜分析。

在A葉片拉筋孔右側(cè)斷口上，裂紋起源于拉筋孔內(nèi)的點(diǎn)蝕坑處，蝕坑內(nèi)有Cl元素的富集存在；該側(cè)斷口上的裂紋擴(kuò)展區(qū)表面，由于被氧化腐蝕產(chǎn)物的沉積覆蓋，斷口上的疲勞弧線不甚清晰。

在A葉片拉筋孔左側(cè)斷口上，裂紋同樣是起源于拉筋孔內(nèi)的點(diǎn)蝕坑處，蝕坑內(nèi)有Cl元素的富集存在；該側(cè)斷口上的裂紋擴(kuò)展區(qū)表面，雖然也有氧化腐蝕產(chǎn)物的沉積覆蓋，但仍可見葉片疲勞斷裂的特征“輝紋線”。

在B葉片拉筋孔處的“裂紋斷口”上，裂紋起源于拉筋孔內(nèi)的點(diǎn)蝕坑處，蝕坑內(nèi)有Cl元素的富集存在；該側(cè)斷口上的裂紋擴(kuò)展區(qū)表面，由于腐蝕產(chǎn)物覆蓋，看不到疲勞弧線和輝紋線。

A、B葉片斷裂（或開裂）屬于同一損壞形式，即在拉筋孔內(nèi)壁局部處先形成點(diǎn)蝕坑，點(diǎn)蝕坑成為裂紋源，隨著裂紋的萌生和擴(kuò)展，造成葉片的疲勞斷裂。

3 分析與討論

電廠汽輪機(jī)葉片，特別是動(dòng)葉片，所處的工況條件及環(huán)境極為惡劣。主要表現(xiàn)在應(yīng)力狀態(tài)、工作溫度、環(huán)境介質(zhì)等方面。汽輪機(jī)在工作時(shí)，動(dòng)葉片承受著最大的靜應(yīng)力及交變應(yīng)力。靜應(yīng)力主要是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)作用在葉片上的離心力所引起的拉應(yīng)力，葉片愈長，轉(zhuǎn)子的直徑及轉(zhuǎn)速愈大，其拉應(yīng)力愈大。同時(shí)，由于蒸汽流的壓力作用還產(chǎn)生彎曲應(yīng)力和扭力。當(dāng)葉片受激振力的作用會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，當(dāng)強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率與葉片自振頻率相同時(shí)即會(huì)引起共振。隨著振幅的進(jìn)一步加大，交變應(yīng)力急劇增加，會(huì)導(dǎo)致葉片發(fā)生疲勞斷裂。因此，葉片通常由圍帶或拉筋連接成組，這樣可以降低葉片的動(dòng)應(yīng)力，同時(shí)還可以調(diào)整葉片頻率和減振。

5#汽輪機(jī)的第14級(jí)動(dòng)葉片為T型葉根葉片。為增加葉片的剛性，改善葉片的振動(dòng)性能，這級(jí)葉片采用拉筋連接。但使用拉筋也有不利的一面，拉筋處于汽流通道之中，增加了蒸汽流動(dòng)的損失，同時(shí)，葉片上的拉筋孔還削弱了葉片的強(qiáng)度。可見，本機(jī)的葉片從拉筋孔處斷裂（開裂）一定是有這方面因素的影響。

汽輪機(jī)的每一級(jí)葉片工作溫度都不相同，第一級(jí)葉片所處的溫度最高。大約535℃左右；隨后由于蒸汽逐級(jí)做功，溫度逐級(jí)降低、直到末級(jí)葉片將降低到100℃以下。發(fā)生斷裂（開裂）的第14級(jí)動(dòng)葉片（末3級(jí)）還處在溫度320℃~420℃，壓力2.0MPa的過熱蒸汽中，通常是接觸不到濕蒸汽的。但由于該級(jí)葉片運(yùn)行時(shí)間較長（十年多），蒸汽中的有害元素會(huì)不斷在葉片的表面沉積和濃縮，最后其含量達(dá)到其可觀的程度。它們的存在可以破壞葉片表面的保護(hù)膜，當(dāng)介質(zhì)中氧含量較高，且諸多次停機(jī)由于保護(hù)不善時(shí)，在空氣及介質(zhì)中水含量充足的局部地區(qū)以及應(yīng)力相對(duì)較大的區(qū)域會(huì)優(yōu)先產(chǎn)生點(diǎn)蝕。葉片拉筋孔壁與拉筋表面的接觸部位容易使有害元素沉積，并存在一定程度的應(yīng)力集中，是點(diǎn)蝕的易發(fā)生區(qū)。

汽輪機(jī)葉片的點(diǎn)蝕是一個(gè)電化學(xué)的過程。金屬與電解質(zhì)相互作用，陽極發(fā)生溶解，鐵原子失去電子成為Fe2+。葉片表面鈍化膜的不均勻或破裂、微區(qū)化學(xué)成分的差異、殘余應(yīng)力較高均為產(chǎn)生點(diǎn)蝕的原因。當(dāng)介質(zhì)中含有活性陰離子（Cl-）時(shí)，它們被吸附在金屬表面某些點(diǎn)上，形成微電池。膜破壞處成為陽極，而未破壞處為陰極。由于陽極面積比陰極小得多，陽極電流密度大，很快被腐蝕成小孔，溶液中的Cl-隨著電流向小孔里遷移，使小孔內(nèi)金屬氧化物濃度升高。由于氯化物的水解，小孔內(nèi)溶液的酸度增加，加上小孔內(nèi)氧的供應(yīng)困難，阻礙孔內(nèi)金屬的再鈍化，使孔內(nèi)金屬處于活化狀態(tài)，不斷受到腐蝕。在交變應(yīng)力的作用下，由點(diǎn)蝕坑處產(chǎn)生微裂紋，繼而擴(kuò)展成宏觀裂紋，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定的程度時(shí)，葉片發(fā)生最終的斷裂。

5#汽輪機(jī)第14級(jí)動(dòng)葉片中送檢的兩只斷裂（開裂）葉片，其裂紋的起源均在葉片拉筋孔壁的點(diǎn)蝕坑處，點(diǎn)蝕坑內(nèi)有害元素（Cl等）的富集濃縮，會(huì)加速蝕坑進(jìn)一步發(fā)展，造成該處應(yīng)力更加集中，材料的疲勞抗力大大降低，而產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋的發(fā)生和發(fā)展，直至造成葉片的最終斷裂。

因此可見，5#汽輪機(jī)第14級(jí)動(dòng)葉片斷裂（開裂）是一個(gè)腐蝕疲勞斷裂過程。

4 結(jié)論

（1）5#汽輪機(jī)第14級(jí)（末3級(jí)）動(dòng)葉片材質(zhì)為2Cr13不銹鋼；金相組織為回火索氏體。

（2）5#汽輪機(jī)第14級(jí)（末3級(jí)）動(dòng)葉片斷裂（開裂）失效原因是葉片拉筋孔內(nèi)產(chǎn)生了點(diǎn)蝕，點(diǎn)蝕坑處成為裂紋源，葉片自拉筋孔處發(fā)生了腐蝕疲勞斷裂。

（3）蒸汽品質(zhì)不良和停機(jī)過程保護(hù)不善以及拉筋孔處應(yīng)力集中且強(qiáng)度較低，是導(dǎo)致葉片產(chǎn)生腐蝕疲勞斷裂的主要原因。