邯鋼2#M251S燃機煤壓機葉輪葉槽裂縫原因淺析

路志標

(河北鋼鐵集團邯鋼分公司能源中心,河北邯鄲 056015)

邯鋼2#M251S燃機煤壓機葉輪葉槽裂縫原因淺析

路志標

(河北鋼鐵集團邯鋼分公司能源中心,河北邯鄲 056015)

本文通過對邯鋼M251S燃機煤壓機葉輪材質各項特性分析,初步確認燃機煤壓機葉片出現(xiàn)裂紋原因進行了分析,并針對原因,提出了運行和檢修建議。

燃機煤壓機 葉輪葉槽裂縫

1 引言

邯鋼2#燃機大修時間檢查發(fā)現(xiàn)煤壓機葉輪榫槽出現(xiàn)裂紋,機組被迫延長大修時間,對裂紋進行分析處理,該機組煤壓機轉速為6438r/min,最高工作溫度為355℃。隨后請有關專家對葉輪片段進行宏觀和微觀斷口分析、金相組織分析、化學成分分析、力學性能測試,在上述試驗及分析結果的基礎上,結合設計使用、裝配情況進行綜合分析,確定葉輪發(fā)生開裂的原因

2 葉輪各項特性監(jiān)測

2.1 材料化學成分分析

從葉輪上靠近榫槽底部區(qū)域取樣進行材料化學成分分析。材料化學成分符合德國標準高溫高強度鋼X8CrCoNiMo10-6的成分要求。

2.2 材料力學性能測試

在榫槽下方區(qū)域取三個Φ5mm拉伸試樣和三個10mm×10mm×55mm的V型沖擊試樣,進行室溫拉伸和沖擊試驗,葉輪材料抗拉強度在1100Mpa以上,平均沖擊吸收功非常低,僅為2.4J左右。材料具有較高的強度,但是沖擊韌性很低。

2.3 宏觀形貌分析

對葉輪部分右側第一個完整榫槽開始次編號為1～10號。在磁粉探傷中發(fā)現(xiàn),在若干榫槽的前端面(入口側)上,底面與側面的過渡圓角處發(fā)現(xiàn)疑是裂紋的線性顯示,裂紋顯示集中在圖中葉輪右半部分,其中5、6、7號榫槽的倒角處裂紋顯示較長且清晰。3處較長裂紋均起源于相同的位置,起裂源位置裂紋擴展方向基本相同,后期擴展方向略有不同,其中,5號榫槽上裂紋起裂后向葉輪內部方向擴展,6、7號榫槽上裂紋起裂后沿著起裂方向擴展。所有榫槽的過渡圓角處均觀察到較厚的黑色氧化物堆積,起裂源表面形貌與其它位置相比未見顯著差別。

5號和6號榫槽上的裂紋打開后的斷口形貌特征相近,斷口沒有發(fā)生明顯的塑性變形,斷面平齊比較干凈,能觀察到解理反光刻面,沒有明顯的氧化和腐蝕形貌。裂紋源區(qū)均位于靠近外表面的倒角處。

宏觀形貌分析結果表明,葉輪入口一側的多個榫槽底面與側面的過渡圓角處出現(xiàn)了開裂,裂紋形態(tài)相近,為一次性脆性開裂,斷面比較干凈整齊,沒有明顯的氧化和腐蝕,為取樣前新近開裂;起裂源位于結構應力集中比較嚴重的位置,源區(qū)表面狀態(tài)正常。

2.4 斷口微觀形貌分析

5號和6號榫槽裂紋的打開斷口的微觀形貌,可以看出兩處裂紋啟開后均為穿晶準解理斷口,斷面干凈基本沒有氧化腐蝕,斷面上未見明顯的材料缺陷,為較大應力下的一次過載脆性斷口。斷口右側發(fā)現(xiàn)的沿晶形貌斷口為過渡圓角表面的腐蝕產物,能譜分析腐蝕產物中S含量較高。

經(jīng)過沖擊試驗后的斷口形貌為穿晶準解理斷口,斷口形貌與5號、6號打開斷口形貌類似。

斷口分析結果表明,打開斷口表面未發(fā)生氧化或腐蝕,說明開裂時間與取樣時間相距不遠。啟開裂紋與沖擊試驗斷口形貌相近,均為準解理脆性斷口,表明兩處裂紋為一次性快速開裂。

2.5 金相組織分析

通過對榫槽臺階的剖面形貌分析,源區(qū)倒角處表面腐蝕產物總厚度達200μm以上,腐蝕產物分為多層,內側三層較為致密,最外層疏松多孔。最內層中以合金元素的硫化物、氧化物為主,Cr的含量明顯偏高;中間層也是以合金元素的氧化物和硫化物,不過S和Cr的含量明顯比內層低;最外層主要為氧化物、硫化物和氯化物。根據(jù)表面腐蝕產物的特征分析,葉輪表面出現(xiàn)了高溫硫腐蝕。基體平均硬度為390HV0.1。

從上述分析表明;葉輪材料化學成分接近德國高溫高強度鋼X8CrCoNiMo10-6,基體組織為回火馬氏體+少量聚集分布的粒狀富Nb碳化物,晶粒度為4.5級;材料強度較高塑性偏低,沖擊韌性不足;葉輪入口一側斷面上發(fā)生了開裂,裂紋位于榫槽倒角的應力集中處,為沖擊應力作用下的脆性開裂,斷面未發(fā)生氧化和腐蝕。裂紋源未發(fā)現(xiàn)原材料、機加工和外部損傷等異常缺陷。

3 運行和檢修建議

邯鋼2#燃機運行過程中出現(xiàn)了幾次逆功率跳閘,經(jīng)有關人員分析,懷疑燃機運行過程中,由于煤氣含塵量較高,原設計無煤壓機效率監(jiān)視,造成煤壓機葉片效率下降,煤壓機在高負荷時發(fā)生喘振,機組停機。由于喘振對機組葉片沖擊比較大,易產生沖擊應力,造成燃機煤壓機葉輪榫槽裂紋產生。為了避免上述現(xiàn)象發(fā)生,需增加燃機煤壓機防喘振保護措施,增加煤壓機效率監(jiān)視,及時發(fā)現(xiàn)煤壓機的效率下降問題,并及時處理,保證煤壓機遠離喘振區(qū)運行。 另外,定期對煤壓機進行檢查,定期清理葉片及葉輪處積灰,并定期對煤壓機腐蝕情況進行檢查,保證煤壓機運行周期。

4 結語

通過上述分析,邯鋼M251S燃機葉輪榫槽裂紋位于倒角應力集中處,懷疑為運行過程中受異常的沖擊載荷是葉輪發(fā)生脆性開裂的主要原因,材料沖擊韌性差也是導致葉輪開裂的重要原因,為了防止此類事故發(fā)生,因增設煤壓機防喘振保護并做好定期檢查工作。