三種汽輪機轉子鋼的高周疲勞性能

王紅濤，杜晉峰

（1.太原理工大學環境科學與工程學院，太原030024；2.神華國華（北京）電力研究院有限公司，北京 100025）

0 引 言

近年來我國電力系統步入大機組發電以及超高壓、遠距離、交直流混合的輸電時代。高參數、大容量機組的復雜軸系結構和日趨復雜的輸電網絡結構極大地增加了汽輪發電機組發生次同步振蕩的幾率,而低強度頻發的次同步振蕩非常容易導致汽輪發 電機組軸系發生扭振[1-3]。轉子作為汽輪發電機組軸系中關鍵的高速旋轉部件,若其危險點處的局部應力超過了材料的屈服強度,會導致轉子表面萌生裂紋,因此轉子的疲勞壽命關乎著發電機組的安全運行。目前,發電企業所用汽輪機轉子的高周疲勞循環次數己經遠遠大于107周次,如繼續基于傳統S-N曲線和疲勞極限概念對其進行無限壽命設計是不準確的,汽輪機轉子將面臨超高周疲勞的潛在威脅。然而目前針對汽輪機轉子超高周疲勞性能并沒有系統的基礎研究,這使得科學分析轉子抗扭振及次同步振蕩破壞風險、準確評價轉子使用壽命顯得迫切而重要。

為此,作者對目前超臨界機組轉子常用的三種材料進行拉壓高周疲勞試驗,嘗試將傳統S-N曲線的高壽命區拓展至108數量級的循環,分析了材料的超高周疲勞壽命,并觀察了轉子的疲勞斷口形貌,為次同步振蕩導致的轉子失效分析提供數據支持。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料取自發生過次同步振蕩超臨界機組的轉子,所用材料分別為25Cr2MoVA鋼、25Cr2Mo1VA鋼和40Cr鋼。為剔除加工工藝不合格導致轉子失效的因素[4],進行超高周疲勞試驗前對這三種試驗鋼進行常規力學性能、化學成分及顯微組織分析,評價其是否符合轉子材料的技術規范要求。

采用Oxford Inca 250型能譜儀和光譜儀測三種試驗鋼的化學成分;依據GB/T 228-2008,采用INSTRON 8801型試驗機對三種試驗鋼進行軸向靜載拉伸試驗,拉伸速度為0.48 mm·min-1;采用HXZ-1000型數字顯微硬度計進行顯微硬度測試;采用Olympus BX51M型光學顯微鏡觀察三種試驗鋼的顯微組織,腐蝕溶液為4%(體積分數)硝酸酒精溶液。

疲勞試驗采用島津USF-2000型超聲疲勞試驗機進行,試驗頻率為20 kHz,采用軸向拉壓加載方式,載荷比R=-1,采用壓縮空氣冷卻,試驗環境為25～35℃,相對濕度為40%～60%。疲勞試驗在不同應力幅下進行,直到疲勞試樣發生斷裂或循環次數達到108周次為止。疲勞試樣的形狀和尺寸如圖1所示,疲勞試樣的軸向平行于轉子長度方向。采用Zeiss EVO 40XVP型掃描電子顯微鏡觀察疲勞斷口形貌。

圖1 疲勞試樣的形狀和尺寸Fig.1 Shape and size of fatigue sample

2 試驗結果與討論

2.1 化學成分

由表1可知,三種試驗鋼的化學成分均符合GB/T 3077-1999的規定。

表1 三種試驗鋼的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of three kinds of test steel(mass) %

2.2 力學性能

5Cr2MoVA鋼、25Cr2Mo1VA鋼和40Cr鋼的布氏硬度分別為238,228,200 HB;屈服強度分別為830,885,795 MPa;抗拉強度分別為955,935,1 005 MPa。三種鋼的基本力學性能滿足GB/T 3077-1999的要求。

2.3 顯微組織

由圖2可知,三種試驗鋼的顯微組織均為回火索氏體,可以判斷三種材料的轉子均經過了調質處理,符合轉子材料供貨態的技術規范。

圖2 三種試驗鋼的顯微組織Fig.2 Microstructure of 25Cr2MoVA steel(a),25Cr2Mo1VA steel(b) and 40Cr steel(c)

2.4 疲勞性能

表2為不同應力下三種試驗鋼的拉壓疲勞試驗結果。針對多種金屬材料在超高周循環周次下的疲勞壽命研究認為金屬材料沒有傳統意義上的疲勞極限[5-6],當交變載荷低于傳統疲勞強度時,材料仍然會發生損傷以致斷裂失效。為了真實地反映材料的疲勞性能,采用無疲勞極限半對數曲線模型對表2所示的試驗數據進行分析,分別獲得三種試驗鋼拉壓疲勞試驗時不同斷裂概率(0.01,0.1,0.5,0.9,0.99)下的P-S-N曲線,如圖3所示。

由圖3可知,隨著應力降低,三種試驗鋼的疲勞壽命均持續增加;P-S-N曲線上106～108周次之間的變化趨勢漸緩,沒有出現明顯的平臺。25Cr2MoVA鋼,25Cr2Mo1VA鋼和40Cr鋼在循環108周次條件下的疲勞極限分別為465,455,460 MPa。

表2 三種試驗鋼的疲勞試驗結果Tab.2 Results of fatigue test for three kinds of test steel

圖3 基于無疲勞極限半對數曲線模型得到的三種試驗鋼的P-S-N曲線Fig.3 P-S-N curves of three kinds of tested steels based on the no fatigue limited semi-logarithmic model:(a) 25Cr2MoVA steel;(b) 25Cr2Mo1VA steel and(c) 40Cr steel

2.5 疲勞斷口形貌

以525 MPa應力下疲勞壽命為2.65×105周次的25Cr2MoVA鋼疲勞斷口為例觀察斷口形貌。由圖4可知,疲勞裂紋起源于試樣表面,表面裂紋源區并沒有發現缺陷;疲勞擴展區由源區呈放射狀向四周擴散,并未發現明顯的疲勞條帶;瞬斷區為典型的韌窩形貌。

以500 MPa應力下疲勞壽命為1.12×106周次循環后25Cr2Mo1VA鋼疲勞斷口為例觀察斷口形貌。由圖5可見,裂紋源區存在擦傷痕跡,這是早期裂紋緩慢擴展時裂紋尖端反復張開閉合留下的;疲勞擴展區斷面較平坦,與主應力垂直;瞬斷區為韌窩形貌。

由圖6可知,40Cr鋼在525MPa應力下經4.61×105次循環后,疲勞裂紋于試樣表面起裂,裂紋源區沒有發現缺陷。

圖4 25Cr2MoVA鋼疲勞斷口的SEM形貌（S=525 MPa,N=2.65×105周次）Fig.4 SEM morphology of fatigue fracture of 25Cr2MoVA steel:(a) macrograph of fracture;(b) fatigue crack source area;(c) crack extension area and(d) transient fracture area

圖5 25Cr2Mo1VA鋼疲勞斷口的SEM形貌（S=500 MPa,N=1.12×106周次）Fig.5 SEM morphology fatigue fracture of 25Cr2Mo1VA steel:(a) macrograph of fracture;(b) fatigue crack source area;(c) crack extension area and(d) transient fracture area

圖6 40Cr鋼疲勞斷口的SEM形貌（S=525 MPa,N=4.61×105周次）Fig.6 SEM morphology of fatigue fracture of 40Cr steel:(a) macrograph of fracture;(b) fatigue cracks source;(c) cracks extension area and(d)transient fracture area

2.6 討 論

符合轉子制造要求的25Cr2MoVA鋼、25Cr2Mo1VA鋼和40Cr鋼均具有典型的疲勞斷口特征,即裂紋源區、裂紋擴展區、瞬斷區。在循環應力作用下,裂紋無論以何種方式萌生,都與材料在外載剪切應力分量作用下所產生的循環滑移過程有關,是局部塑性變形集中的結果[7];而源于試樣表面的裂紋,在剪切應力分量作用下呈放射狀向四周擴展;由于材料的高強度特性,導致裂紋擴展區沒有明顯的疲勞條帶;25Cr2MoVA鋼和25Cr2Mo1VA鋼的瞬斷區具有韌窩特征,而40Cr的瞬斷區則呈現準解理特征,這說明前兩種轉子材料的韌性優于40Cr鋼的。

經驗公式表明同一種材料拉拉疲勞極限是扭轉疲勞極限的2倍,由此可知25Cr2MoVA鋼、25Cr2Mo1VA鋼和40Cr鋼在循環108周次內的扭轉疲勞極限分別為232,227,230 MPa。綜合疲勞斷口形貌和疲勞試驗結果可知,上述三種材料制造的轉子在遭受同樣的次同步振蕩時,25Cr2MoVA鋼轉子的安全性更高。

3 結 論

(1)25Cr2MoVA鋼、25Cr2Mo1VA鋼和40Cr鋼在108周次超高周拉壓疲勞條件下的疲勞極限分別為465,455,460 MPa。

(2)基于疲勞極限半對數曲線模型擬合了三種鋼的P-S-N曲線,隨著應力水平降低,三種鋼的疲勞壽命均持續增加,曲線下降趨勢變緩,但未出現顯著的水平平臺。

(3)三種鋼的疲勞裂紋均萌生于材料表面,裂紋擴展呈放射狀,25Cr2MoVA鋼和25Cr2Mo1VA鋼瞬斷區具有韌窩特征,它們的韌性優于40Cr鋼的。

(4)在遭受同樣的次同步振蕩時,25Cr2MoVA鋼轉子的安全性最高。

[1]倪以信,王艷春,張寶霖.汽輪發電機軸系扭振的機理研究[J].清華大學學報:自然科學版,1992,32(1):1-8.

[2]劉超,蔣東翔,謝小榮,等.次同步振蕩引起的發電機組軸系疲勞損傷[J].電力系統自動化,2010,34(15):19-22.

[3]吳俊勇,程時杰,陳德樹.電力系統次同步振蕩和軸系扭振研究的現狀及發展方向[J].電力系統自動化,1991(增1):75-79.

[4]陳昭運,李建明,滕奎.大型發電機轉子開裂原因初步分析[J].機械工程材料,2007,31(9):70-72.

[5]王弘,高慶.超聲疲勞試驗方法在40Cr 鋼疲勞性能研究中的應用[J].機械工程材料,2003,27(12):29-31.

[6]BATHIAS C .There is no infinite fatigue life in metallic materials[J].Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structure,1999,22(7):559-565.

[7]馮美斌,陳新增,何家文.40Cr鋼壓應力疲勞試驗研究[J].機械工程材料,1992,16(2):11-14