汽輪機低壓轉子末級葉片斷裂分析

斯寶祥，陳石凌，王崇順

（杭州華電半山發電有限公司，杭州 310015）

某電廠1臺135 MW機組在運行中突然發生汽輪機低壓轉子末級葉片斷裂事故，被迫緊急停機檢修。該機組系上海汽輪機廠制造的超高壓中間再熱冷凝式汽輪發電機組，汽輪機型號為N125-132.24/535/535－A型，主蒸汽參數 13.24 MPa，535℃，1984年投產運行。機組在2000年第6次A級檢修時，對低壓通流部分進行了改造，改造后機組額定功率達到135 MW，最大出力達到137 MW。

事故發生前機組累計運行159 738 h，啟停245次。其中，通流部分改造后的累計運行時間為42 388 h，啟停43次。

1 事故經過

葉片斷裂前機組負荷129.5 MW、主汽流量418 t/h、主汽溫度537℃、壓力13.7 MPa，真空、差脹和軸振等參數均正常。某日14∶47，汽機本體突發異響，同時2，3，5，6號軸承振動增大至I值報警，經迅速降溫降壓、減負荷調整等措施無效后，決定故障停機，于15∶22手動拍車，與系統解列。

停機后揭開低壓缸檢查，發現汽輪機低壓轉子末級（第31級）編號為54的葉片在拉金上方斷裂，前后相鄰的第53，55葉片受到機械損傷而變形。靠近圍帶前部約200 mm處的一段葉片飛脫落入低壓缸下部，汽缸的去濕槽及汽封條部分損壞。

事故發生后，聯系生產廠家到達現場處理葉片斷裂事故。根據現場情況，更換第53，54，55葉片和第31級葉片拉金全部，所有末級葉片經探傷檢查后，機組恢復運行。

2 斷裂葉片試驗分析

對葉片的設計與運行條件、斷裂特征、斷口金屬等進行多項試驗分析，初步查明了斷裂原因。

表1 葉片材料的化學成分%

2.1 斷裂葉片的宏觀描述

通流部分改造后的末級動葉長度為710 mm，葉頂采用自帶冠（圍帶）和拉金結構。葉片斷裂部位在距葉根高度約508～512 mm處。

從葉片斷口低倍觀察，發現在葉片進汽端有一亮點，出汽邊方向約1/2斷面處目測有貝殼紋。出汽邊部位呈拉斷狀，斷口稍有收縮，總體較平直。斷裂葉片沒有反扭現象或明顯變形，拉金和拉金孔沒有明顯損壞。

2.2 葉片斷裂前主要運行參數

分析運行數據可以看出，葉片斷裂前，機組在額定負荷附近連續運行，由于真空偏低，主蒸汽流量偏大。轉速、加熱器水位、蒸汽參數基本穩定，沒有發生負荷、真空、加熱器水位等大幅度異常波動，也沒有相應的人工操作。根據振動突變判別，葉片斷裂發生在14∶47，此后熱力參數隨減負荷操作正常變化。因此，結合葉片斷裂特征和運行實時參數，基本可以排除突然發生水擊造成葉片斷裂的可能。

2.3 葉片斷口的金屬分析

2.3.1 化學成分和力學性能

經查閱相關技術資料，得到該葉片材料1Cr12Ni2Mo1VN-5（相當于法國牌號C06L-J）的成分及主要力學性能特性，見表1和表2。

表2 C06L-J材料的主要力學性能

由表1可知，葉片材料屬于馬氏體類型不銹鋼，成分中除了V元素的含量偏差較大以外，其余與1Cr12Ni2Mo1VN成分相符。

2.3.2 斷口分析

為便于區分，將斷口分為A，B，C 3個區域，如圖1所示，A區斷口平整，呈細瓷狀，顯示一定的脆性斷口特征。B區有一明顯的臺階。C區斷口表面相對粗糙，顯示一定的韌性斷口特征。

圖1 葉片斷口橫截面

檢查中發現在A區進汽端邊緣（圖1中黑色圈區）有貝殼紋狀，因此對該處做重點檢查，A區黑色圈處的放大和宏觀照片如圖2所示。

圖2 A區黑色圈處放大宏觀

從圖2中明顯可以看出，葉片進汽偏內弧側有明顯的月牙形疤痕，疤痕處顏色較深，沿疤痕有清晰的向內擴展的放射狀輝紋，并有與疤痕形貌一致的圓弧推進線，由此可以初步判定，此處即為裂紋發生的源點。

A區顯示脆性特征的斷面與葉片立軸方向基本垂直，說明葉片主要受振動應力、彎應力、拉應力（離心力）作用。而C區斷面則與立軸方向呈45°角，此處除受拉應力作用外，還受到剪切力的作用，這是由于裂紋沿疤痕向內擴展到臺階處，導致葉片受力不平衡，而此時因葉片有效截面積大大減小，使葉片絕對強度降低而瞬時斷裂。

2.3.3 硬度測試

硬度與脆性有密切關系。為了解葉片表面硬化處理情況，在A區斷口下方10 mm處切取試樣，分別對葉片斷面、內外表面多個部位進行硬度檢測，檢測結果及變化曲線如圖3所示。

圖3 A區斷口下移10 mm處截面硬度梯度

葉片心部硬度約為388 HV0.1，背弧表面最高硬度達500 HV0.1；測至心部硬化層深度為1.9 mm，內弧表面硬度與心部無明顯差異。

2.3.4 斷口掃描電鏡觀察

圖4顯示疤痕處掃描電鏡斷口形貌，主要為結晶狀斷口，此處裂紋沿晶界方向擴展，并有較多球狀氧化物出現。

圖4 疤痕處斷口形貌

圖5顯示平斷口呈放射狀輝紋，并多處顯示疲勞輝紋，說明裂紋在擴展過程中具有疲勞擴展的特性。

圖6為斜斷口處形貌，顯示呈帶狀分布的韌帶及韌窩，與宏觀分析中最后瞬時斷裂區韌性斷口特征一致。

2.3.5 金相顯微分析

圖7是斷裂葉片的金相顯微組織，圖中顯示葉片心部組織為保留馬氏體位向的回火索氏體，基本屬于經正常淬火加回火的組織，但其組織相對較粗大，可能對力學性能會有一定的影響。

圖5 平斷口放射狀輝紋處形貌

圖6 斜斷口處形貌

圖7 葉片垂直主軸截面心部組織 200×

圖8為葉片疤痕處截面，左側表面有部分晶粒沿晶脫離；右側為其外側粘附的小塊金屬。離疤痕較近截面顯微硬度為461 HV0.1，而粘附金屬顯微硬度為293 HV0.1，兩者硬度差異較大。

圖8 葉片疤痕處截面組織 200×

圖9為粘附金屬塊金相組織，呈鑄態組織特征。能譜分析結果表明，粘附金屬塊中主要元素成分為Fe、Cr、Mn等，其中Cr元素含量明顯高于葉片基體材料。因此初步判定，葉片進汽端疤痕處的粘附金屬塊屬于外來高溫熔化粘附的異體金屬。

圖9 粘附金屬塊金相組織 500×

3 金屬試驗結果

通過金屬試驗后得出以下試驗結果：

（1）葉片材料化學成分和力學性能基本符合1Cr12Ni2Mo1VN鋼。

（2）材料中未見異常非金屬夾雜物，但金相組織較粗大，長期在高溫下運行對葉片的力學性能可能會產生一定影響。

（3）葉片進汽端存在明顯疤痕，葉片斷裂與疤痕有關，裂紋開始于疤痕處。

（4）裂紋擴展具有疲勞裂紋擴展特征。

（5）疤痕處粘附的小塊金屬呈現鑄態特征，其硬度、金相組織及能譜分析結果與葉片基體材質不一致，確定為外來異種金屬高溫熔化粘附。

4 葉片斷裂的原因分析

通過金屬試驗分析，結合運行參數及故障特征，分析得出以下結論：

（1）排除葉片受水擊斷裂損壞的可能性。因為水擊往往發生在機組啟動時，而此次葉片斷裂則是在正常運行的工況下發生的。

（2）在該葉片進汽側高度約508 mm處，發現小塊粘附金屬，從斷口的形貌及裂紋擴展特征判斷，該處應是裂紋發生的源點。

（3）小塊粘附金屬的硬度、金相組織及能譜分析數據與葉片基體材質差異較大，因此確認為外來異體金屬。從圖2可見，在粘附金屬附近有明顯的月牙形痕跡，這是與高溫熱源接觸所致。而粘附金屬呈鑄態金相組織，因此判斷可能是葉片制造過程中與某種高溫熱源接觸，局部區域溫度急劇升高導致外來金屬熔化并粘附。在第54片斷裂葉片處，正好是兩處拉金的焊接點，焊接時稍不注意就會碰上葉片，這與粘附金屬的鑄態組織特征及與疤痕形貌一致的圓弧推進線相符。

（4）由于外來金屬塊在高溫條件下與葉片粘附，使葉片在該位置的金相組織發生變化，降低了材料強度和抗振能力，成為疲勞裂紋形成和擴展的源點。從圖8中還可以看出有部分金屬組織過燒沿晶脫離，為裂紋的形成創造了條件。

（5）葉片受蒸汽作用力沖擊發生振動，以裂紋源為起點逐漸擴展，由于圍帶與拉金的減振作用，疲勞裂紋的形成和擴展比較緩慢，故疲勞端口平整、呈細瓷狀，裂紋擴展過程呈現疲勞擴展的特征。

（6）當疲勞裂紋緩慢擴展到一定程度以后，使裂紋部位承載能力大大降低，最終在綜合應力的聯合作用下，葉片迅速撕裂，以致斷口表面相對粗糙，并顯示一定的韌性斷口特征。

[1] 浙江大學金屬材料檢測中心.汽輪機葉片斷裂分析檢驗報告[R].2005.