2Cr13鋼汽輪機葉片的開裂原因分析

王佩寧

(內蒙古霍煤鴻駿鋁電有限責任公司, 通遼 029200)

2Cr13鋼汽輪機葉片的開裂原因分析

王佩寧

(內蒙古霍煤鴻駿鋁電有限責任公司, 通遼 029200)

在電廠機組啟停和運行參數變化時，汽輪機低壓轉子末級葉片易受到交變應力作用而發生開裂，影響汽輪機的安全運行。對某汽輪機發生開裂的葉片進行了金相檢驗、硬度測試、斷口分析和能譜分析，以確定葉片開裂的原因。結果表明：該開裂葉片材質狀態正常，葉片開裂的原因為腐蝕疲勞，是由腐蝕環境和交變應力的共同作用導致的。

汽輪機；低壓轉子葉片；開裂；交變應力；腐蝕疲勞

腐蝕疲勞是在腐蝕環境與交變載荷共同作用下發生的一種失效模式[1]。如果腐蝕介質的作用和交變應力的作用不同時存在，則由此發生的失效行為不屬于腐蝕疲勞。腐蝕疲勞對環境介質沒有特定的要求，并且通常不具備疲勞極限[2]。火電機組在啟?；蜻\行參數變化時，處于腐蝕性環境的汽輪機葉片同時受到交變應力的作用[3-8]，因而極易產生腐蝕疲勞。

某電廠汽輪機轉子轉速為3 000 r·min-1，主蒸汽壓力為8.83 MPa，主蒸汽溫度為535 ℃。機組檢修時，發現汽輪機低壓轉子末級葉片存在裂紋。開裂葉片材料為2Cr13馬氏體不銹鋼，熱處理狀態為淬火+高溫回火，葉片長約800 mm，在內弧進汽側偏葉頂方向有長約270 mm、寬約10 mm的沖蝕區域，越偏向葉頂方向沖蝕現象越嚴重，在沖蝕區域存在多處微裂紋(圖1)，最長處約10 mm。

圖1 低壓轉子葉片宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the low-pressure rotor blade

筆者對該開裂末級葉片進行了金相檢驗、硬度測試、斷口分析與能譜分析，討論了該葉片開裂的原因，可為準確判斷該類型汽輪機葉片的失效類型提供依據。

1 理化檢驗

1.1 金相檢驗

在葉片沖蝕區域的微裂紋處(圖1中方框處)取樣，分別編號為J1(縱截面試樣)和J2(內弧側表面試樣)，取樣位置見圖2。采用OLYMPUS GX71型光學顯微鏡對試樣進行金相檢驗，侵蝕劑為三氯化鐵溶液。試樣的顯微組織形貌見圖3～6，由結果可見：各試樣的顯微組織均為回火馬氏體，組織未見異常；裂紋起裂于進汽側邊緣葉身內弧面，縫隙寬窄不一，裂紋平直無分叉現象，尖端較圓鈍。

圖2 金相試樣取樣位置Fig.2 Sampling positions of metallographic specimens

圖3 J1試樣裂紋的低倍形貌Fig.3 Morphology of the crack in specimen J1 at low magnification

圖4 J1試樣裂紋的高倍形貌Fig.4 Morphology of the crack in specimenJ1 at high magnification

圖5 J1試樣基體的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of the matrix in specimen J1

圖6 J2試樣基體的顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of the matrix in specimen J2

1.2 硬度測試

采用HVS-50型維氏硬度計對J1和J2試樣進行維氏硬度測試，試驗載荷為98 N，保壓時間為10 s，試驗結果見表1。由結果可知，各試樣的硬度均滿足DL/T 438-2016[5]對2Cr13馬氏體不銹鋼的硬度要求。

表1 維氏硬度測試結果

圖7 斷口源區形貌(清洗前)Fig.7 Morphology of the crack source region (before cleaning)

1.3 斷口分析

在葉片沖蝕區域截取裂紋試樣，并在液氮中將裂紋打開，在超聲波儀器中將斷口浸入丙酮進行清洗后，采用Fei Quanta 400HV型掃描電子顯微鏡對原始斷口進行觀察，斷口形貌見圖7。然后按照GB/T 16545-2015《金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣上腐蝕產物的清除》[9]中推薦的斷口清洗方法，在超聲波儀器中用鹽酸水溶液對斷口進行酸洗，并對酸洗后的斷口再次進行觀察，斷口形貌見圖8～9。

圖8 斷口低倍形貌(清洗后)圖9 斷口疲勞擴展區(清洗后) Fig．8 Morphologyofthefracturesurfaceatlowmagnification (aftercleaning)Fig．9 Morphologyoffatigueextensionregion ofthefracturesurface(aftercleaning)

由結果可知，酸洗前斷口裂紋區域上整體覆蓋有附著物，有關斷裂機制細節不清晰；用鹽酸水溶液酸洗后依稀可見斷口裂紋區域存在可表征疲勞特征的貝殼線條紋，應為疲勞斷裂。

1.4 能譜分析

采用EDAX型能譜儀對試樣斷口裂紋區域進行微區成分半定量分析，分析部位如圖10所示，分析結果見表2。由能譜分析結果可以看出，斷口裂紋區域的成分主要是鐵的氧化物，并含有少量的鈉、鉀、硫、氯、銅等元素。

圖10 斷口能譜分析位置示意圖Fig.10 Illustration of locations of energy spectrum analysis of the fracture surface

表2 斷口能譜分析結果(質量分數) %

2 分析與討論

2Cr13鋼屬于馬氏體不銹鋼，具有較高的韌性、冷變形性能、較好的耐腐蝕性能和熱強性能，特別是其減震性很好，該鋼常用于汽輪機低溫段長葉片、閥桿以及發電機模鍛風葉等。該開裂葉片裂紋平直、無分叉現象，裂紋尖端較圓鈍，裂紋斷口區存在少量的鈉、鉀、硫、氯、銅等元素，說明汽水中的少量雜質及腐蝕性元素在此沉積聚集。在啟停和轉變工況等過程中(如過臨界轉速時)葉片會承受較大的交變應力，在裂紋斷口中部依稀可見有反映疲勞特征的貝紋線存在。

進入汽輪機系統的水汽如果存在腐蝕性成分，將產生腐蝕性環境；腐蝕性環境加速了疲勞過程的發展，并在開裂面形成腐蝕性產物；機組工況發生變化或啟停機時，由溫度波動導致的交變熱應力會在腐蝕性環境的輔助下導致葉片產生腐蝕疲勞。

綜上可知，該低壓轉子葉片的材質狀態正常，葉片開裂是由腐蝕和交變應力共同作用產生的腐蝕疲勞開裂所致。

3 結論及建議

綜上所述，該低壓轉子葉片的開裂為腐蝕疲勞開裂，是由腐蝕和交變應力共同作用產生的。

建議加強水質監督，減少腐蝕性環境的產生；在運行過程中避免急啟急停和工況的大幅變化，減小運行過程中的交變應力。

[1] 張棟,鐘培道,陶春虎,等.失效分析[M].北京:國防工業出版社,2013:143.

[2] 王德尊.金屬力學性能[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,1993:226.

[3] 陳運遠,林振坤.汽輪機葉片材料2Cr13的腐蝕疲勞[J].機械工程材料,1981,5(1):36-41.

[4] 徐加勛.汽輪機葉片材料的腐蝕疲勞[J].動力工程,1985(6):49-53.

[5] 黎華,盧忠銘,劉課秀,等.火電廠汽輪機葉片開裂原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2017,53(3):197-200.

[6] 石順梅.某熱電廠低壓轉子次末級葉片斷裂原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2016,52(8):578-583.

[7] 楊健,孫智君.某航空發動機渦輪葉片的斷裂分析[J].理化檢驗-物理分冊,2012,48(8):538-542.

[8] DL/T 438-2016 火力發電廠金屬技術監督規程[S].

[9] GB/T 16545-2015 金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣上腐蝕產物的清除[S].

Analysis on Cracking Reasons of 2Cr13 Steel Turbine Blades

WANG Peining

(Inner Mongolia HMHJ Aluminium Electricity Co., Ltd., Tongliao 029200, China)

Cracking often happened to last-stage blades of low-pressure turbine rotors due to the alternating stress during the process of starting, stopping and changing of working parameters in power plants, which threatened the safe operation of turbines. The cracking turbine blade was analyzed to make sure the cracking reasons by metallographic examination, hardness testing, fracture analysis and energy spectrum analysis. The results show that: the material of the cracking blade was qualified, and the cracking reason was the corrosion fatigue caused by the combined action of corrosion environment and alternating stress.

turbine; low-pressure rotor blade; cracking; alternating stress; corrosion fatigue

質量控制與失效分析

10.11973/lhjy-wl201705015

2017-01-17

王佩寧(1973-)，男，工程師，主要從事金屬技術監督工作，13947548968@163.com

TG162.71; TG115.2

B

1001-4012(2017)05-0368-03