汽輪機(jī)斷裂葉片檢測(cè)與失效原因分析

石泉江

( 中國(guó)人民解放軍92730 部隊(duì)，海南 三亞572016)

0 引 言

汽輪機(jī)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。當(dāng)葉片發(fā)生斷裂時(shí)，斷口往往出現(xiàn)在葉根部位，其中很大一部分屬于疲勞斷裂［1］。

金屬材料疲勞破壞機(jī)制是金屬材料在交變應(yīng)力或交變應(yīng)變的作用下，某點(diǎn)或某些點(diǎn)逐漸產(chǎn)生了永久性結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致在一定的循環(huán)次數(shù)以后形成裂紋或發(fā)生斷裂的過(guò)程。

疲勞破壞與靜力破壞有著本質(zhì)的不同，在交變載荷作用下，零件中的交變應(yīng)力在遠(yuǎn)小于材料強(qiáng)度極限的情況下，破壞就可能發(fā)生。不管是塑性或彈性材料，疲勞斷裂在宏觀上均表現(xiàn)為無(wú)明顯塑性變形的突然斷裂，故疲勞斷裂常表現(xiàn)為低應(yīng)力脆性斷裂。這一特征使疲勞破壞具有更大的危險(xiǎn)性。疲勞破壞是一個(gè)累積損傷的過(guò)程，需經(jīng)歷一定的時(shí)間歷程，甚至很長(zhǎng)的時(shí)間歷程［2-3］。

1 葉片斷裂情況

某型汽輪機(jī)通流部分由復(fù)速級(jí)和壓力級(jí)組成，其中復(fù)速級(jí)為直葉片，根部采用倒T 型葉根形式。機(jī)組在使用過(guò)程中出現(xiàn)了復(fù)速級(jí)葉片斷裂的故障，經(jīng)拆檢，斷裂部位為T 型葉根的上危險(xiǎn)截面。

在故障發(fā)生后，設(shè)計(jì)人員立即展開(kāi)了故障原因的排查和清理，并通過(guò)宏觀檢測(cè)分析、斷口綜合分析、微觀組織結(jié)構(gòu)觀察等手段對(duì)失效葉片進(jìn)行檢測(cè)與分析［4-6］。

2 失效葉片的理化檢驗(yàn)與分析

2.1 宏觀檢測(cè)

斷裂后的葉片分為葉身和葉根2 部分，圖1 為葉身端斷口的宏觀照片。葉片的斷面平坦，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的沿晶斷裂，瞬斷區(qū)面積占總面積相對(duì)較小，因此可以判斷葉片的失效模式為由于疲勞產(chǎn)生的斷裂。根據(jù)斷口的宏觀表象，裂紋源起始于出汽側(cè)內(nèi)緣(疲勞源1)，并擴(kuò)展至進(jìn)汽側(cè)外緣(疲勞源2)。

圖1 斷口宏觀照片F(xiàn)ig.1 The natural picture of the fracture for the blade

2.2 化學(xué)成分分析

失效葉片采用1Cr13 馬氏體不銹鋼，表1 為材料的化學(xué)成分分析結(jié)果，對(duì)比表中的數(shù)據(jù)和ZBK54023-88 標(biāo)準(zhǔn)要求的數(shù)據(jù)可以看出，失效葉片的化學(xué)成分滿足零件理化檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 失效葉片用鋼的化學(xué)成分Tab.1 The chemical constitution for the metal of the fracture blades

2.3 材料組織分析

對(duì)斷裂葉片進(jìn)行金相組織觀察和顯微硬度分析。圖2 為斷裂葉片樣品的金相組織，從顯微組織圖片中可以看出，斷裂葉片材料的組織為馬氏體組織。

圖2 斷裂葉片的金相組織Fig.2 The metallurgical structure of the fracture blade

表2 為葉片不同部位的顯微硬度值，從表中的數(shù)據(jù)可以看出，該葉片的顯微硬度值基本上在250 HV 左右，結(jié)合金相圖片和顯微硬度值，可以判斷該材料組織為回火后的馬氏體組織。

表2 不同部位的顯微硬度分布Tab.2 The microcosmic distribution of the hardness on different zone of the fracture blades

2.4 夾雜物分析

將斷裂葉片材料進(jìn)行隨機(jī)抽樣，按葉片的根部和葉身部，參考夾雜物評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn) (GB/T10561-2005 或ASTM E45-2005)進(jìn)行夾雜物檢驗(yàn)分析，結(jié)果見(jiàn)表3。從表中可以看出，該葉片材料的主要夾雜物類型為B 類、C 類和D 類，且B 類和D 類夾雜物含量比C 類的要略高。

根據(jù)夾雜物檢測(cè)結(jié)果，對(duì)照GB/T10561-2005夾雜物評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，該材料滿足標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)夾雜物的級(jí)別要求。

表3 失效葉片用鋼的夾雜物分析結(jié)果Tab.3 The analysis results of the foreign material for the metal of the fracture blades

2.5 力學(xué)性能

表4 為不同試樣葉片力學(xué)拉伸試驗(yàn)結(jié)果，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，材料變形區(qū)間較為明顯且區(qū)間范圍基本一致，各試樣的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度均滿足材料性能要求。

表4 葉片力學(xué)拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 The test results of the mechanical property for different blades

3 斷口綜合分析

3.1 裂紋的微觀分析

在完成材料的理化檢驗(yàn)后，通過(guò)掃描電鏡對(duì)葉片斷口進(jìn)行了微觀分析，圖3 為葉身端斷口的宏觀形貌圖。圖4 為圖3 中A 區(qū)域的微觀形貌圖，從裂紋源附近的放大區(qū)域中可以看到疲勞條帶的存在，如圖4 (b)所示。圖5 為葉根端斷口相對(duì)應(yīng)A 區(qū)域處的裂紋源，從圖中可以明顯看出裂紋起源和裂紋擴(kuò)展區(qū)。

圖6(a)為對(duì)應(yīng)斷裂根部處發(fā)現(xiàn)的疲勞條帶。從圖中可以看出，整個(gè)材料的斷口表面相對(duì)較為平整，主要呈現(xiàn)河流狀花樣，同時(shí)存在少量的二次裂紋，如圖6(b)所示。

綜合判斷，材料的裂紋起源于葉片T 型的邊緣部位，并逐漸向中心部位擴(kuò)展。

3.2 裂紋的擴(kuò)展

疲勞裂紋擴(kuò)展的微觀模式受材料的滑移特性、顯微組織特征尺寸、應(yīng)力水平及裂紋尖端塑性區(qū)尺寸等的強(qiáng)烈影響。一般可將疲勞裂紋的擴(kuò)展分為3個(gè)階段，如圖7所示。

圖7 疲勞裂紋擴(kuò)展階段的示意圖Fig.7 The schematic plan of the different expansion stage for the fatigue crack

對(duì)于大多數(shù)合金而言，第Ⅰ階段裂紋擴(kuò)展通常都很短，一般只有2 ～5 個(gè)晶粒。但該階段在總的疲勞壽命中所占的比例并不一定很小，當(dāng)應(yīng)力幅較低時(shí)，所占比例甚至可達(dá)總壽命的90%。該區(qū)域的微觀斷口形貌極其復(fù)雜，可能出現(xiàn)的形貌特征有摩擦痕跡、滑移線、類解理形貌(如河流、羽毛、舌頭等)、早期疲勞條帶、沿晶、混合形貌等斷口特征;當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍較高時(shí)，裂紋尖端塑性區(qū)跨越多個(gè)晶粒，這時(shí)裂紋擴(kuò)展沿2 個(gè)滑移系統(tǒng)同時(shí)或交替進(jìn)行，即第Ⅱ階段擴(kuò)展。疲勞條帶是該階段的典型微觀形貌特征;當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍很高時(shí)，裂紋尖端塑性區(qū)尺寸遠(yuǎn)大于晶粒直徑，此時(shí)裂紋擴(kuò)展類似靜態(tài)加載時(shí)的裂紋擴(kuò)展，在韌性材料的斷口上會(huì)形成顯微空洞聚集方式的韌窩形貌，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)準(zhǔn)解理、解理和沿晶開(kāi)裂的形貌特征。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)通過(guò)宏觀和微觀斷口觀察分析，葉片的失效模式為由于疲勞產(chǎn)生的斷裂，裂紋源起始于出汽側(cè)內(nèi)緣，后擴(kuò)展至進(jìn)汽側(cè)外緣;

2)通過(guò)材料的理化檢驗(yàn)，葉片材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能、硬度值、夾雜物等級(jí)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求;

3)在疲勞裂紋源處未見(jiàn)明顯夾雜物、縮孔等材料缺陷因素，故判斷裂紋起源為應(yīng)力集中導(dǎo)致，隨著裂紋的逐漸擴(kuò)展，葉片最終發(fā)生斷裂。

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